En gång ofattbart, transistorer som endast består av flera atomkluster eller till och med enstaka atomer lovar att bli byggstenarna i en ny generation datorer med oöverträffad minne och processorkraft. Men för att inse den fulla potentialen hos dessa små transistorer – elektriska av/på-brytare i miniatyr – måste forskare hitta ett sätt att göra många kopior av dessa notoriskt svårtillverkade komponenter.

Nu, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor vid University of Maryland har utvecklat ett steg-för-steg-recept för att producera enheter i atomskala. Med hjälp av dessa instruktioner, det NIST-ledda teamet har blivit bara det andra i världen att konstruera en enkelatomstransistor och det första att tillverka en serie enkelelektrontransistorer med atomskalakontroll över enheternas geometri.

Forskarna visade att de exakt kunde justera hastigheten med vilken individuella elektroner strömmar genom ett fysiskt gap eller en elektrisk barriär i deras transistor – även om klassisk fysik skulle förbjuda elektronerna att göra det eftersom de saknar tillräckligt med energi. Det där strikt kvantfenomenet, känd som quantum tunneling, blir bara viktigt när luckorna är extremt små, som i miniatyrtransistorerna. Exakt kontroll över kvanttunnling är nyckeln eftersom det gör det möjligt för transistorerna att bli "trasslade" eller sammanlänkade på ett sätt som endast är möjligt genom kvantmekanik och öppnar nya möjligheter för att skapa kvantbitar (qubits) som kan användas i kvantberäkningar.

För att tillverka enatoms- och fåatomstransistorer, teamet förlitade sig på en känd teknik där ett kiselchip är täckt med ett lager av väteatomer, som lätt binder till kisel. Den fina spetsen på ett skanningstunnelmikroskop avlägsnade sedan väteatomer på utvalda platser. Det återstående vätet fungerade som en barriär så att när teamet riktade fosfingas (PH ₃ ) vid kiselytan, individuell PH ₃ molekyler fästa endast på de platser där vätet hade avlägsnats (se animering). Forskarna värmde sedan upp kiselytan. Värmen stötte ut väteatomer från PH ₃ och fick fosforatomen som blev kvar att bädda in sig i ytan. Med ytterligare bearbetning, bundna fosforatomer skapade grunden för en serie mycket stabila enheter med en eller få atomer som har potential att fungera som qubits.

Två av stegen i metoden som utarbetats av NIST-teamen - att försegla fosforatomerna med skyddande lager av kisel och sedan få elektrisk kontakt med de inbäddade atomerna - verkar ha varit avgörande för att tillförlitligt tillverka många kopior av atomärt exakta enheter, NIST-forskaren Richard Silver sa.

Förr, forskare har vanligtvis applicerat värme när alla kiselskikt odlas, för att ta bort defekter och säkerställa att kislet har den rena kristallina strukturen som krävs för att integrera enatomsenheterna med konventionella elektriska komponenter med kiselchips. Men NIST-forskarna fann att sådan uppvärmning kunde avlägsna de bundna fosforatomerna och potentiellt störa strukturen hos enheterna i atomskala. Istället, laget deponerade de första flera kiselskikten vid rumstemperatur, så att fosforatomerna kan stanna kvar. Först när efterföljande lager avsattes applicerade laget värme.

"Vi tror att vår metod att applicera skikten ger mer stabila och exakta enheter i atomskala, " sa Silver. Att till och med ha en enda atom på plats kan förändra ledningsförmågan och andra egenskaper hos elektriska komponenter som har enstaka eller små kluster av atomer.

Teamet utvecklade också en ny teknik för det avgörande steget att få elektrisk kontakt med de begravda atomerna så att de kan fungera som en del av en krets. NIST-forskarna värmde försiktigt upp ett lager av palladiummetall applicerat på specifika regioner på kiselytan som låg direkt ovanför utvalda komponenter i den kiselinbäddade enheten. Det uppvärmda palladiumet reagerade med kislet för att bilda en elektriskt ledande legering som kallas palladiumsilicid, som naturligt trängde genom kislet och fick kontakt med fosforatomerna.

I en färsk upplaga av Avancerade funktionella material , Silver och hans kollegor, som inkluderar Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. och Curt Richter, betonade att deras kontaktmetod har nästan 100 % framgång. Det är en nyckelprestation, noterade Wyrick. "Du kan ha den bästa enatomstransistorenheten i världen, men om du inte kan få kontakt med det, det är värdelöst, " han sa.

Att tillverka enatomstransistorer "är en svår och komplicerad process som alla kanske måste skära tänderna på, men vi har lagt ut stegen så att andra team inte behöver gå vidare med försök och misstag, sa Richter.

I relaterat arbete publicerat idag i Kommunikationsfysik , Silver och hans kollegor visade att de exakt kunde kontrollera hastigheten med vilken individuella elektroner tunnlar genom atomärt exakta tunnelbarriärer i enelektrontransistorer. NIST-forskarna och deras kollegor tillverkade en serie enkelelektrontransistorer identiska på alla sätt förutom skillnader i storleken på tunnelgapet. Mätningar av strömflödet visade att genom att öka eller minska gapet mellan transistorkomponenter med mindre än en nanometer (miljarddels meter), teamet kunde exakt kontrollera flödet av en enstaka elektron genom transistorn på ett förutsägbart sätt.

"Eftersom kvanttunnel är så grundläggande för alla kvantenheter, inklusive konstruktion av qubits, förmågan att kontrollera flödet av en elektron i taget är en betydande prestation, " sa Wyrick. Dessutom, när ingenjörer packar fler och fler kretsar på ett litet datorchip och gapet mellan komponenterna fortsätter att minska, förståelse och kontroll av effekterna av kvanttunneling kommer att bli ännu viktigare, sa Richter.