Una volta inimmaginabile, i transistor costituiti solo da cluster di più atomi o anche da singoli atomi promettono di diventare gli elementi costitutivi di una nuova generazione di computer con memoria e potenza di elaborazione senza precedenti. Ma per realizzare il pieno potenziale di questi minuscoli transistor, interruttori elettrici on-off in miniatura, i ricercatori devono trovare un modo per realizzare molte copie di questi componenti notoriamente difficili da fabbricare.

Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi dell'Università del Maryland hanno sviluppato una ricetta passo passo per produrre i dispositivi su scala atomica. Utilizzando queste istruzioni, il team guidato dal NIST è diventato solo il secondo al mondo a costruire un transistor a singolo atomo e il primo a fabbricare una serie di transistor a singolo elettrone con controllo su scala atomica sulla geometria dei dispositivi.

Gli scienziati hanno dimostrato di poter regolare con precisione la velocità con cui i singoli elettroni fluiscono attraverso uno spazio fisico o una barriera elettrica nel loro transistor, anche se la fisica classica vieterebbe agli elettroni di farlo perché mancano di energia sufficiente. Quel fenomeno strettamente quantistico, noto come tunneling quantistico, diventa importante solo quando gli spazi sono estremamente piccoli, come nei transistor miniaturizzati. Il controllo preciso sul tunneling quantistico è fondamentale perché consente ai transistor di diventare "entangled" o interconnessi in un modo possibile solo attraverso la meccanica quantistica e apre nuove possibilità per la creazione di bit quantistici (qubit) che potrebbero essere utilizzati nell'informatica quantistica.

Per fabbricare transistor a singolo atomo e pochi atomi, il team si è basato su una tecnica nota in cui un chip di silicio è ricoperto da uno strato di atomi di idrogeno, che si legano facilmente al silicio. La punta fine di un microscopio a scansione a effetto tunnel ha quindi rimosso gli atomi di idrogeno in siti selezionati. L'idrogeno rimanente ha agito da barriera in modo che quando il team ha diretto il gas fosfina (PH ₃ ) sulla superficie del silicio, PH individual individuale ₃ molecole attaccate solo ai punti in cui l'idrogeno era stato rimosso (vedi animazione). I ricercatori hanno quindi riscaldato la superficie del silicio. Il calore espelle gli atomi di idrogeno dal PH ₃ e fece in modo che l'atomo di fosforo che era rimasto si incastonasse nella superficie. Con elaborazione aggiuntiva, gli atomi di fosforo legati hanno creato le basi di una serie di dispositivi altamente stabili a uno o pochi atomi che hanno il potenziale per fungere da qubit.

Due dei passaggi del metodo ideato dai team del NIST - sigillare gli atomi di fosforo con strati protettivi di silicio e quindi stabilire un contatto elettrico con gli atomi incorporati - sembrano essere stati essenziali per fabbricare in modo affidabile molte copie di dispositivi atomicamente precisi, Il ricercatore del NIST Richard Silver ha detto.

Nel passato, i ricercatori hanno in genere applicato il calore mentre tutti gli strati di silicio sono cresciuti, al fine di rimuovere i difetti e garantire che il silicio abbia la struttura cristallina pura necessaria per integrare i dispositivi a singolo atomo con i tradizionali componenti elettrici a chip di silicio. Ma gli scienziati del NIST hanno scoperto che tale riscaldamento potrebbe rimuovere gli atomi di fosforo legati e potenzialmente distruggere la struttura dei dispositivi su scala atomica. Anziché, il team ha depositato i primi diversi strati di silicio a temperatura ambiente, permettendo agli atomi di fosforo di rimanere fermi. Solo quando gli strati successivi sono stati depositati, il team ha applicato il calore.

"Riteniamo che il nostro metodo di applicazione degli strati fornisca dispositivi su scala atomica più stabili e precisi, " ha detto Silver. Avere anche un solo atomo fuori posto può alterare la conduttività e altre proprietà dei componenti elettrici che presentano singoli o piccoli gruppi di atomi.

Il team ha anche sviluppato una nuova tecnica per la fase cruciale di stabilire un contatto elettrico con gli atomi sepolti in modo che possano operare come parte di un circuito. Gli scienziati del NIST hanno riscaldato delicatamente uno strato di metallo palladio applicato a regioni specifiche sulla superficie del silicio che risiedevano direttamente sopra i componenti selezionati del dispositivo incorporato nel silicio. Il palladio riscaldato ha reagito con il silicio per formare una lega elettricamente conduttrice chiamata siliciuro di palladio, che naturalmente penetrava attraverso il silicio ed entrava in contatto con gli atomi di fosforo.

In una recente edizione di Materiali funzionali avanzati , Silver e i suoi colleghi, che includono Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. e Curt Richter, ha sottolineato che il loro metodo di contatto ha una percentuale di successo quasi del 100%. Questo è un risultato chiave, ha notato Wyrick. "Puoi avere il miglior dispositivo a transistor a singolo atomo al mondo, ma se non riesci a contattarlo, è inutile, " Egli ha detto.

Fabbricare transistor a singolo atomo "è un processo difficile e complicato su cui forse tutti devono farsi le ossa, ma abbiamo stabilito i passaggi in modo che altre squadre non debbano procedere per tentativi ed errori, "disse Richter.

In un lavoro correlato pubblicato oggi in Fisica delle comunicazioni , Silver e i suoi colleghi hanno dimostrato di poter controllare con precisione la velocità con cui i singoli elettroni passano attraverso barriere di tunnel atomicamente precise nei transistor a elettrone singolo. I ricercatori del NIST ei loro colleghi hanno fabbricato una serie di transistor a elettrone singolo identici in ogni modo tranne che per le differenze nelle dimensioni del gap di tunneling. Le misurazioni del flusso di corrente hanno indicato che aumentando o diminuendo il divario tra i componenti del transistor di meno di un nanometro (miliardesimo di metro), il team potrebbe controllare con precisione il flusso di un singolo elettrone attraverso il transistor in modo prevedibile.

"Poiché il tunneling quantistico è fondamentale per qualsiasi dispositivo quantistico, compresa la costruzione di qubit, la capacità di controllare il flusso di un elettrone alla volta è un risultato significativo, " disse Wyrick. Inoltre, mentre gli ingegneri confezionano sempre più circuiti su un minuscolo chip di computer e il divario tra i componenti continua a ridursi, comprendere e controllare gli effetti del tunneling quantistico diventerà ancora più critico, ha detto Richter.