Oamenii de ştiinţă australieni au creat tranzistorul monoatomic prin introducerea unui singur atom dopant de fosfor într-o mostră de siliciu, cu o acurateţe spaţială de plus sau minus o unitate de spaţiere a reţelei cristaline. Detalii, în cele ce urmează.
Fundamentele acestei munci de cercetare se regăsesc în eforturile depuse anterior de acelaşi grup pentru crearea electrozilor la scară atomică. În timp ce tranzistorul ar putea ajuta la miniaturizarea continuă a electronicelor clasice, cercetătorii speră ca în viitor dispozitivul creat de ei să ajute la dezvoltarea unui calculator cuantic funcţional.
Legea lui Moore
În principiu, tranzistorul este asemeni unui întrerupător, însă care se activează electronic, şi stă la baza tuturor calculatoarelor. Fără microprocesoare, calculatoarele nu ar mai fi fost capabile a efectua operaţiile logice pentru care sunt solicitate. Legea lui Moore, denumită astfel după fondatorul lui Intel, Gordon Moore, spune că numărul de tranzistori care pot fi grupaţi pe un circuit integrat comercial se va dubla la fiecare 2 ani. Când Moore a făcut această predicţie, în 1965, a stipulat că ea va fi adevărată până în 1975, când, după cum a sugerat în mod corect, se va ajunge la un număr de 65000 de tranzistori pe fiecare cip. De fapt, într-un mod straniu, predicţia s-a dovedit a fi precisă şi valabilă chiar şi în zilele noastre, când sunt miliarde. Cu toate acestea, continua miniaturizare necesită descoperirea unor noi metode de fabricaţie şi, pentru ca Legea lui Moore să se aplice în continuare, ar trebui ca dispozitivele să atingă nivelul tranzistorilor monoatomici în jurul anului 2020.
În lucrările anterioare, grupul de cercetare al lui Michele Simmons de la Universitatea New South Wales din Sydney a dezvoltat o tehnică prin care se permitea crearea unor fire atomice în interiorul cristalelor din siliciu brut, prin îndepărtarea selectivă a unor structuri liniare de atomi de siliciu şi înlocuirea acestora cu fosfor. Fosforul are un electron în plus pe ultimul strat faţă de siliciu, astfel că prin înlocuirea unui atom de siliciu cu un atom de fosfor într-un cristal de siliciu se introduce un electron în plus în material, mărindu-i conductivitatea locală. Echipa a folosit această tehnică pentru a modela nano-electrozi de tranzistori în cristal. Apoi au plasat un singur atom de fosfor în centrul tranzistorului. Rezultatul a fost o versiunea la scară atomică a unui tranzistor cu efect de câmp (TEC, denumit şi tranzistor unipolar, în engleză FET).
Imaginea unui tranzistor monoatomic pe o suprafaţă hidrogenată de siliciu obţinută cu un microscop de scanare cu efect de tunel. Imaginea înfăţişează doi electrozi alcătuiţi din atomi de fosfor (structurile roşii din stânga şi dreapta). Atomul unic de fosfor care funcţionează asemenea unui tranzistor apare sub forma unui mic punct roşu la jumătatea distanţei dintre electrozi.
Credit: Martin Fuechsle
Un tranzistor cuantic
Curentul care trece prin electrozii sursă şi drenă ai unui TEC clasic creşte gradat, în acelaşi timp cu voltajul dintre electrodul-poartă şi electrodul-drenă. Însă TEC-ul atomic produs de grupul Universităţii New South Wales, în colaborare cu colegii lor (de la Universitatea din Melbourne, Universitatea din Sydney, Institutul Coreean pentru ştiinţă şi Tehnologia Informaţiei şi Universitatea Purdue din Indiana, S.U.A.), s-a comportat într-o manieră specifică mecanicii cuantice, devenind conductiv doar când diferenţa de potenţial a fost aliniată exact cu unul dintre nivelele de energie ale atomului de fosfor. „Pe măsură ce se modifică polarizarea electrodului-poartă, se pot accesa nivelele de energie ale atomului”, explică Simmons. „Se trece de la conducţie la blocare, la conducţie, la blocare, pe măsură ce se parcurg nivelurile de energie atomică ale acelui sistem monoatomic”.
Laptopuri criogenice şi calculatoare cuantice
Fizicianul şi inginerul electronist David Ferry de la Universitatea de Stat a Arizonei, din Tempe, S.U.A., consideră că lucrarea (prezentată mai devreme) este doar un „alt exemplu interesant de creare a unei structuri miniaturizate şi plasare a atomilor de fosfor pe suprafaţă, acolo unde se doreşte”. Însă el se întreabă dacă un tranzistor care poate transporta la un moment dat un singur electron, va rula vreodată destul de rapid pentru a fi util industriei electronice. Există şi alte dificultăţi practice ale acestui sistem, cum ar fi faptul că funcţionează numai cu o răcire criogenică. Aşa cum declara Ferry, „nu cred că există cineva care vrea să îşi poarte laptopul la temperatura heliului lichid”.
Simmons este de acord că tehnologia nu este momentan compatibilă cu soluţiile industriale convenţionale. „Este într-adevăr un test al tehnologiei”, spune ea. „Cât de departe poţi împinge lucrurile pentru a crea, determinist, un dispozitiv monoatomic? Aplicabilitatea acestuia pe termen lung pentru industria convenţională este complet necunoscută: avem de-a face doar cu simpla prezentare a unei soluţii tehnologică pentru o asemenea problemă”.
Principalul interes al grupului în folosirea tranzistorului a fost studierea nivelurilor de energie ale atomului de fosfor din structura de siliciu, pe care cercetătorii speră să îl folosească pe post de qubiţi într-un calculator cuantic. „Acesta este un tranzistor pe care l-am proiectat astfel încât să putem observa nivelurile de energie şi pentru a verifica că suntem în acord cu ceea ce a fost prezis în mod teoretic”, spune Simmons. „În calculator, atomii de fosfor vor comunica, în principiu, unul cu altul, în cadrul unei reţele. Nu va fi necesar să existe electrozi sursă sau drenă pentru fiecare atom, aşa cum ar fi trebuit să existe într-un tranzistor convenţional pentru un asemenea dispozitiv”.
Studiul a fost publicat în „Nature Nanotechnology”.
Traducere după Researchers make single-atom transistor, cu acordul physicsworld.com.
Traducerea: Ştefan Ciprian Arseni
