Ein Atom genügt dem Transistor
Energiesparende quantenelektronische Schalttechnik
Über das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Silberatoms schaltet ein Transistor aus dem Karlsruher KIT. Die Technik ist jetzt mit einem festen Elektrolyten verbessert worden. Das verspricht unter anderem hohes Energiesparpotenzial.
Geht es noch kleiner? Dem Team um Professor Thomas Schimmel am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, einen Einzelatom-Transistor zu entwickeln. Dazu mussten zwei Metallkontakte so gefertigt werden, dass zwischen ihnen eine Lücke für gerade ein Atom offen bleibt. Die Karlsruher verwendeten dazu zwei Goldelektroden mit einem Abstand von etwa 50 Nanometern. Die Elektroden werden bis auf den Kontaktbereich durch eine isolierende Polymerbeschichtung geschützt. Im Kontaktbereich werden dann Silberkristalle angelagert, bis ein einzelnes Silberatom den durchgehenden Kontakt herstellt. Den Forschern gelang es, Gate-Spannungen zwischen 10 und 40 Millivolt zu definieren, um das eine verbindende Silberatom wieder herauszulösen beziehungsweise genau ein Silberatom in die Lücke zu schieben und so den Stromkreis zu schließen. Eine dritte Gate-Spannung dient dazu, den jeweiligen Zustand stabil zu halten.
Ungewöhnlich für ein quantenelektronisches Bauelement ist, dass dieser Ein-Atom-Transistor bei Raumtemperatur funktioniert, nicht erst bei aufwendig zu erzeugenden Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Damit bietet sich das Bauelement für zahlreiche Anwendungsfelder an. Aufgrund des winzigen Schaltungsaufwandes und des Aufbaus komplett aus Metall ist der Transistor mit sehr niedriger Spannung zu betreiben. Die potenzielle Energieeinsparung gegenüber üblichen Transistoren auf Siliziumbasis beziffern die Forscher mit dem Faktor 1:10.000. Die Drainströme bewegen sich im Bereich 1 bis 8 Mikroampere.