För att bygga framtidens datorchips, designers kommer att behöva förstå hur en elektrisk laddning beter sig när den är begränsad till metalltrådar med bara några atombredder i diameter.
Nu, ett team av fysiker vid McGill University, i samarbete med forskare vid General Motors R&D, har visat att elektrisk ström kan minska drastiskt när ledningar från två olika metaller möts. Den överraskande kraftiga strömminskningen avslöjar en betydande utmaning som kan forma materialval och enhetsdesign inom det framväxande området nanoelektronik.
Storleken på funktioner i elektroniska kretsar krymper för varje år, tack vare den aggressiva miniatyriseringen som föreskrivs i Moores lag, som postulerade att tätheten av transistorer på integrerade kretsar skulle fördubblas var 18:e månad eller så. Detta stadiga framsteg gör det möjligt att bära runt datorer i våra fickor, men innebär allvarliga utmaningar. När egenskapernas storlek minskar till atomnivå, motståndet mot ström ökar inte längre med en jämn takt när enheterna krymper; istället hoppar motståndet runt, "visar de kontraintuitiva effekterna av kvantmekanik, säger McGill fysikprofessor Peter Grütter.
"Du kan använda analogin med en vattenslang, "Förklarar Grütter." Om du håller vattentrycket konstant, mindre vatten kommer ut när du minskar diametern på slangen. Men om du skulle krympa slangen till ett halmstorlek bara två eller tre atomer i diameter, utflödet skulle inte längre minska med en hastighet som är proportionell mot slangens tvärsnittsarea; det skulle variera på ett kvantifierat ('hoppigt') sätt."
Denna "kvantkunnighet" är exakt vad McGill- och General Motors -forskarna observerade, som beskrivs i en ny tidning som dyker upp i Förfaranden från National Academy of Sciences . Forskarna undersökte en ultraliten kontakt mellan guld och volfram, två metaller som för närvarande används i kombination i datorchips för att ansluta olika funktionella komponenter i en enhet.
På den experimentella sidan av forskningen, Prof. Grütters laboratorium använde avancerade mikroskopitekniker för att avbilda en volframprob och guldyta med atomprecision, och att sammanföra dem mekaniskt på ett exakt kontrollerat sätt. Den elektriska strömmen genom den resulterande kontakten var mycket lägre än väntat. Mekanisk modellering av atomstrukturen för denna kontakt gjordes i samarbete med Yue Qi, en forskare vid General Motors R&D Center i Warren, MI.
Toppmodern elektrisk modellering av Jesse Maassen i professor Hong Guos McGill Physics-forskargrupp bekräftade detta resultat, som visar att olikheter i elektronisk struktur mellan de två metallerna leder till en fyrfaldig minskning av strömflödet, även för ett perfekt gränssnitt. Forskarna fann dessutom att kristalldefekter - förskjutningar av det normalt perfekta arrangemanget av atomer - som genererades genom att de två materialen kom i mekanisk kontakt var ytterligare en anledning till den observerade minskningen av strömmen.
"Storleken på den minskningen är mycket större än de flesta experter förväntar sig - i storleksordningen 10 gånger större, "konstaterar professor Grütter.
Resultaten pekar på ett behov av framtida forskning om sätt att övervinna denna utmaning, möjligen genom val av material eller annan bearbetningsteknik. "Det första steget mot att hitta en lösning är att vara medveten om problemet, ", konstaterar Grütter. "Detta är första gången som det har visat sig att detta är ett stort problem" för nanoelektroniska system."
