I strävan att bli liten, Robert Wolkow och hans labb vid University of Alberta tar gigantiska steg framåt.

Den digitala tidsåldern har resulterat i en rad mindre, renare och mindre strömkrävande teknologier sedan de dagar då persondatorn fick plats ovanpå ett skrivbord, ersätter stordatormodeller som en gång fyllde hela rum. Stationära datorer har sedan dess gett vika för mindre och mindre bärbara datorer, smartphones och enheter som de flesta av oss bär runt i fickan.

Men som Wolkow påpekar, denna tekniska krympning kan bara gå så långt när man använder traditionella transistorbaserade integrerade kretsar. Det är därför han och hans forskargrupp siktar på att bygga helt ny teknologi i atomär skala.

"Vårt slutmål är att göra elektronik med ultralåg effekt eftersom det är det som efterfrågas mest av världen just nu, sa Wolkow, iCORE-stolen i nanoskala informations- och kommunikationsteknologi vid naturvetenskapliga fakulteten. "Vi närmar oss några grundläggande gränser som kommer att stoppa den 30 år långa strävan att göra saker snabbare, billigare, bättre och mindre; detta kommer snart att ta slut.

"En helt ny datormetod kommer att behövas."

Elektronik i atomär skala

Wolkow och hans team på U of A:s fysikavdelning och National Institute for Nanotechnology arbetar med att konstruera atomärt exakta teknologier som har praktiska, verkliga applikationer. Hans labb har redan tagit sig in i Guinness Book of World Records för att ha uppfunnit världens vassaste föremål - ett mikroskopspets bara en atom bred i slutet.

De gjorde ett tidigare genombrott 2009 när de skapade de minsta kvantprickarna någonsin - en enda kiselatom som mäter mindre än en nanometer bred - med en teknik som kommer att tilldelas ett amerikanskt patent senare denna månad.

Kvantprickar, Wolkow säger, är kärl som begränsar elektroner, ungefär som fickor på ett biljardbord. Prickarna kan placeras på avstånd så att elektroner kan vara i två fickor samtidigt, låter dem interagera och dela elektroner – en kontrollnivå som gör dem idealiska för datorliknande kretsar.

"Det kan vara lika viktigt som transistorn, " säger Wolkow. "Det lägger grunden för en helt ny grund för elektronik, och i synnerhet, elektronik med ultralåg effekt."

Nya upptäckter banar väg för överlägsen nanoelektronik

Wolkow och hans team har byggt på sina tidigare framgångar, modifiering av skanningstunnelmikroskop med deras atomomfattande mikroskopspets, som avger joner istället för ljus med överlägsen upplösning. Som nålen på en skivspelare, mikroskopen kan spåra topografin av kiselatomer, känna av ytegenskaper på atomär skala.

I en ny tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , postdoktor Bruno Martins tillsammans med Wolkow och andra medlemmar i teamet, observerade för första gången hur en elektrisk ström flyter över huden på en kiselkristall och mätte även elektriskt motstånd när strömmen rörde sig över ett enda atomsteg.

Wolkow säger att kiselkristaller för det mesta är släta förutom dessa atomtrappor - små brister där varje steg är en atom högt. Att veta vad som orsakar elektriskt motstånd och att kunna registrera resistansens storlek banar väg för att designa överlägsna nanoelektroniska enheter, han säger.

I en annan första, denna gång ledd av doktoranden Marco Taucer, forskargruppen observerade hur enstaka elektroner hoppar in och ut ur kvantprickarna, och utarbetade en metod för att övervaka hur många elektroner som ryms i fickan och mäta punktens laddning. Förr, sådana observationer var omöjliga eftersom själva handlingen att försöka mäta något så utomordentligt litet förändrar det, säger Wolkow.

"Föreställ dig att om du tittade på något med dina ögon, handlingen att titta på den böjde den på något sätt, " säger han. "Vi kan nu undvika den störningen på grund av att vi tittar, och så kan komma åt och på ett användbart sätt distribuera punkterna i kretsar."

Teamets resultat, även publicerad i Fysiska granskningsbrev , ge forskare möjligheten att övervaka laddningen av kvantprickar. De har också hittat ett sätt att skapa kvantprickar som fungerar vid rumstemperatur, vilket innebär att dyr kryogenik inte är nödvändig.

"Det är spännande eftersom plötsligt, saker som ansågs vara exotiska, avlägsna idéer är nära. Vi tror att vi kan bygga dem."

Tar nästa generations elektronik till marknaden

Wolkow och hans team tror så starkt på den kommersiella potentialen hos kretsar i atomär skala, För två år sedan startade de sitt eget spinoff-företag, Quantum Silicon Inc. Under de kommande fem till sex åren, QSI planerar att demonstrera potentialen hos dessa "extremt gröna" kretsar som kan använda sig av mindre, batterier som håller längre.

Det flyttar dem också från grundforskning till tillämpad forskning och verkliga scenarier, säger Wolkow.

"Vi har den här trevliga kopplingen där vi har en träningsplats för studenter och mycket akademiska ambitioner för framsteg, men dessa saker överförs helt naturligt och omedelbart till denna praktiska enhet."

Mycket av deras ansträngningar kommer initialt att fokusera på att skapa hybridteknologier – lägga till kretsar i atomskala till konventionell elektronik som GPS-enheter eller satelliter, som att byta ut en länk i en kedja med tanke på den tidsintensiva tillverkningen av de nya kretsarna. Det kan ta ett decennium innan det är möjligt att masstillverka kretsar i atomskala, men den framtida potentialen är mycket stark, säger Wolkow.

"Den har potentialen att totalt förändra världens elektroniska bas. Det är en prospekt på biljoner dollar."