Ett team som leds av University of Pittsburgh har skapat en enkelelektrontransistor som utgör en byggsten för nya, kraftfullare datorminnen, avancerat elektroniskt material, och de grundläggande komponenterna i kvantdatorer.

Forskarna rapporterar i Naturens nanoteknik att transistorns centrala komponent – ​​en ö endast 1,5 nanometer i diameter – fungerar med tillägg av endast en eller två elektroner. Den förmågan skulle göra transistorn viktig för en rad beräkningsapplikationer, från ultratäta minnen till kvantprocessorer, kraftfulla enheter som lovar att lösa problem så komplexa att alla världens datorer som arbetat tillsammans i miljarder år inte kunde knäcka dem.

Dessutom, den lilla centrala ön skulle kunna användas som en konstgjord atom för att utveckla nya klasser av konstgjorda elektroniska material, exotiska supraledare med egenskaper som inte finns i naturmaterial, förklarade huvudforskaren Jeremy Levy, professor i fysik och astronomi vid Pitts School of Arts and Sciences. Levy arbetade med huvudförfattaren och Pitt-studenten i fysik och astronomi Guanglei Cheng, såväl som med Pitts fysik- och astronomiforskare Feng Bi, Daniela Bogorin, och Cheng Cen. Pitt-forskarna arbetade med ett team från University of Wisconsin i Madison ledd av materialvetenskap och ingenjörsprofessor Chang-Beom Eom, inklusive forskarkolleger Chung Wun Bark, Jae-Wan Park, och Chad Folkman. En del av laget var också Gilberto Medeiros-Ribeiro, från HP Labs, och Pablo F. Siles, en doktorand vid State University of Campinas i Brasilien.

Levy och hans kollegor döpte sin enhet till SketchSET, eller skissbaserad enelektrontransistor, efter en teknik utvecklad i Levys labb 2008 som fungerar som en mikroskopisk Etch A SketchTM, ritleksaken som inspirerade idén. Med hjälp av den skarpa ledande sonden i ett atomkraftmikroskop, Levy kan skapa sådana elektroniska enheter som ledningar och transistorer av nanometerdimensioner vid gränssnittet mellan en kristall av strontiumtitanat och ett 1,2 nanometer tjockt lager av lantanaluminat. De elektroniska enheterna kan sedan raderas och gränssnittet användas på nytt.

SketchSET – som är den första enelektrontransistorn helt gjord av oxidbaserade material – består av en öformation som kan hysa upp till två elektroner. Antalet elektroner på ön - som bara kan vara noll, ett, eller två – resulterar i distinkta ledande egenskaper. Ledningar som sträcker sig från transistorn bär ytterligare elektroner över ön.

En fördel med en enelektrontransistor är dess extrema känslighet för en elektrisk laddning, Levy förklarade. En annan egenskap hos dessa oxidmaterial är ferroelektricitet, vilket gör att transistorn kan fungera som ett halvledarminne. Det ferroelektriska tillståndet kan, i frånvaro av extern kraft, kontrollera antalet elektroner på ön, som i sin tur kan användas för att representera 1- eller 0-tillståndet för ett minneselement. Ett datorminne baserat på denna egenskap skulle kunna behålla information även när själva processorn är avstängd, sa Levy. Det ferroelektriska tillståndet förväntas också vara känsligt för små tryckförändringar på nanometerskala, vilket gör den här enheten potentiellt användbar som en laddnings- och kraftsensor i nanoskala.

Sedan augusti 2010, Levy har lett 7,5 miljoner dollar, multiinstitutionellt projekt för att konstruera en halvledare med egenskaper som liknar SketchSET, han sa. Finansieras av U.S. Air Force Office of Scientific Researchs program för multiuniversitetsforskningsinitiativ (MURI), den femåriga insatsen är avsedd att övervinna några av de viktigaste utmaningarna i samband med utvecklingen av kvantinformationsteknologi. Levy arbetar med det projektet med forskare från Cornell, Stanford, University of California i Santa Barbara, University of Michigan, och UW-Madison.