Tranzistorji, ki so sestavljeni samo iz nekaj-atomskih grozdov ali celo iz posameznih atomov, bi lahko postali gradniki nove generacije računalnikov z neprimerljivim pomnilnikom in procesno močjo. Toda najprej morajo raziskovalci razviti še način za množično proizvodnjo drobnih stikal, ki jih lahko vklopimo in izklopimo.
Našli so tudi način, kako jih narediti!
Na srečo so raziskovalci na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) skupaj s kolegi z univerze v Marylandu razvili postopne metode za izdelavo tranzistorjev na nivoju atomov. Upoštevajoč navodila je ta skupina postala šele druga na svetu, ki ji je uspelo izdelati eno-atomski tranzistor in prva, izdelala niz eno-elektronskih tranzistorjev s krmiljenjem na nivoju atoma znotraj njihove geometrije.
Znanstveniki so dokazali, da lahko nove elektronske komponente natančno prilagodijo hitrost, s katero posamezni elektroni tečejo skozi fizično režo ali električno oviro v svojem tranzistorju, čeprav klasična fizika prepoveduje takšno delovanje elektronov, ker jim za to primanjkuje potrebne energije. Navidezno se elektroni umaknejo s kvantnim tuneliranjem, ki postane možno šele, ko so vrzeli izjemno majhne, na primer pri miniaturnih tranzistorjih.
Ključen pri tem je natančen nadzor nad kvantnim tuneliranjem, ker omogoča tranzistorjem, da se “prepletejo” ali medsebojno povežejo na način, ki je mogoč le s pomočjo kvantne mehanike, s tem pa odpirajo nove možnosti za ustvarjanje kvantnih bitov (kubitov), ki bi jih lahko uporabili pri kvantnem računanju.
Za izdelavo eno-atomskih in nekaj-atomskih tranzistorjev je ekipa prekrila silicijev čip s plastjo vodikovih atomov, ki se zlahka vežejo na silicij. Fina konica skenirajočega tunelirnega mikroskopa fizično odstrani atome vodika na izbranih mestih. Preostali vodik deluje kot ovira, zato se posamezne molekule PH3, ko so usmerili plin fosfina na površino silicija, tega oprimejo le tam, kjer je bil vodik odstranjen. Nato so raziskovalci segreli površino silicija. Segrevani vodikovi atomi iz PH3 atome fosforja pri tem pustijo vgrajene na površini. Z dodatno obdelavo vezani atomi fosforja ustvarijo temelje niza zelo stabilnih eno-atomskih ali nekaj-atomskih naprav, ki lahko služijo kot kubiti.
Da bi uresničili ves potencial svojih majhnih tranzistorjev, morajo raziskovalci najti način, kako jih narediti v večjem številu.
»Dva koraka v metodi, ki so jih zasnovale ekipe NIST – zatesnitev atomov fosforja z zaščitnimi plastmi silicija in nato vzpostavitev električnega stika z vgrajenimi atomi – sta bila ključnega pomena za zanesljivo izdelavo večjega števila kopij atomsko natančnih naprav, » je dejal raziskovalec NIST Richard Silver.
V preteklosti so raziskovalci za rast silicijevih plasti navadno uporabljali toploto, s čimer so odstranili pomanjkljivosti in zagotovili, da ima silicij čisto kristalno strukturo, potrebno za naprave z enim atomom na običajnih silicijevih čipih. Toda znanstveniki iz NIST so ugotovili, da takšno segrevanje izniči vezane atome fosforja in lahko s tem poruši končno strukturo naprave. Namesto tega je skupina odlagala prvih nekaj plasti silicija pri sobni temperaturi, tako da so atomi fosforja ostali na mestu. Ekipa je nato lahko uporabila tudi toploto, saj je bilo nanesenih že več slojev.
Celo en sam atom, ki ni na svojem mestu, lahko spremeni prevodnost in ostale lastnosti električnih komponent, ki vsebujejo enojne ali majhne skupine atomov.
Skupina je razvila tudi nov način vzpostavitve električnega stika s prekritimi atomi, tako da bo deloval kot del vezja. Znanstveniki NIST so nežno segreli plast kovine paladija, naneseno na določena območja na površini silicija, neposredno nad določenimi komponentami tranzistorja, vdelanega v silicij. Segreti paladij reagira s silicijem in tvori električno prevodno zlitino, imenovano paladij silicij, ki naravno prodre skozi silicij in vzpostavi stik z atomi fosforja. Ta kontaktna metoda ima skoraj 100-odstotno uspešnost.
S tem povezano je tudi delo druge raziskovalne skupine, ki je pred kratkim pokazala, da lahko natančno nadzoruje hitrost, s katero se posamezni elektroni premikajo skozi atomsko natančne tunelske ovire v eno-elektronskih tranzistorjih. Ta skupina je izdelala tudi serijo eno-elektronskih tranzistorjev, ki so v vseh pogledih enaki, imajo pa različne širine prehodov v teh predorih. Meritve tokovnega pretoka so pokazale, da bi lahko ekipa s povečanjem ali zmanjšanjem širine predorov med tranzistorskimi komponentami za manj kot nanometer natančno nadzirala pretok posameznega elektrona skozi tranzistor.
