德國開發(fā)單原子晶體管，實現(xiàn)晶體管所能達到的最小極限

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院托馬斯·希梅爾教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)出了單原子晶體管——一種利用電流控制單個原子位移實現(xiàn)開關(guān)的量子電子元件。單原子晶體管可在室溫下操作，并消耗很少電能，這為未來信息技術(shù)開辟了新的應(yīng)用前景。這項成果已被刊登在《先進材料》雜志上。

數(shù)字化對能源有巨大需求，在工業(yè)化國家中，信息技術(shù)目前用電量占整個工業(yè)用電量的10%以上，無論是計算機處理中心、個人電腦，還是從洗衣機到智能手機的各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。目前一個幾歐元的USB存儲器就含有上億個晶體管?？査刽敹蚶砉W(xué)院開發(fā)的單原子晶體管未來可顯著提高信息技術(shù)的能源效率，希梅爾教授稱，“有了這個量子電子元件，能耗將低于傳統(tǒng)硅技術(shù)電子元件一萬倍”。希梅爾教授是卡爾斯魯厄理工學(xué)院單原子電子與光子研究中心主任，被譽為單原子電子學(xué)先驅(qū)。

在《先進材料》雜志上刊登的論文里，研究人員介紹了如何在只有單一金屬原子寬度的縫隙間建立兩個微小金屬觸點，實現(xiàn)目前晶體管所能達到的最小極限。希梅爾教授稱，“我們在此縫隙通過電控脈沖移動單個銀原子，完成電路閉合;當(dāng)我們再將銀原子移出縫隙，電路被切斷”，由此實現(xiàn)世界上最小晶體管在接通電源情況下單個原子的受控可逆運動。與傳統(tǒng)量子電子元件不同，單原子晶體管不需要在接近絕對零度的低溫條件工作，它可以一直在室溫下工作，這是未來應(yīng)用的一個決定性優(yōu)勢。

為開發(fā)單原子晶體管，卡爾斯魯厄理工學(xué)院研究人員還開發(fā)了一套全新的工藝，單原子晶體管完全由金屬構(gòu)成，不含半導(dǎo)體材料。其結(jié)果是所需電壓極低，因此能耗也極低。研究人員之前制作單原子晶體管需要依靠液體電解質(zhì)，現(xiàn)在希梅爾教授及其團隊首次應(yīng)用固體電解質(zhì)的工作原理，通過水溶性銀電解質(zhì)凝膠與熱解法二氧化硅凝膠電解質(zhì)結(jié)合，從而改善了安全性，更便于單原子晶體管的處理。