In una straordinaria impresa di microingegneria, I fisici dell'UNSW hanno creato un transistor funzionante costituito da un singolo atomo posto proprio in un cristallo di silicio.

Il minuscolo dispositivo elettronico, descritto oggi in un articolo pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura , utilizza come componente attivo un singolo atomo di fosforo modellato tra elettrodi su scala atomica e porte di controllo elettrostatico.

Questa accuratezza atomica senza precedenti potrebbe fornire il mattone elementare per un futuro computer quantistico con un'efficienza computazionale senza pari.

Fino ad ora, transistor a singolo atomo sono stati realizzati solo per caso, dove i ricercatori hanno dovuto cercare tra molti dispositivi o mettere a punto dispositivi multi-atomo per isolarne uno che funziona.

"Ma questo dispositivo è perfetto", dice la professoressa Michelle Simmons, capogruppo e direttore dell'ARC Center for Quantum Computation and Communication presso UNSW. "Questa è la prima volta che qualcuno ha mostrato il controllo di un singolo atomo in un substrato con questo livello di precisione."

Il dispositivo microscopico ha persino minuscoli marcatori visibili incisi sulla sua superficie in modo che i ricercatori possano collegare contatti metallici e applicare una tensione, afferma il ricercatore e autore principale Dr Martin Fuechsle dell'UNSW.

"Il nostro gruppo ha dimostrato che è davvero possibile posizionare un atomo di fosforo in un ambiente di silicio - esattamente come ne abbiamo bisogno - con una precisione quasi atomica, e allo stesso tempo registrare le porte, " lui dice.

Il dispositivo è anche notevole, dice il dottor Fuechsle, perché le sue caratteristiche elettroniche corrispondono esattamente alle previsioni teoriche intraprese con il gruppo del professor Gerhard Klimeck alla Purdue University negli Stati Uniti e il gruppo del professor Hollenberg all'Università di Melbourne, gli autori congiunti sul documento.

Il team dell'UNSW ha utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM) per vedere e manipolare gli atomi sulla superficie del cristallo all'interno di una camera a vuoto ultraelevato. Utilizzando un processo litografico, hanno modellato gli atomi di fosforo in dispositivi funzionali sul cristallo, quindi li hanno coperti con uno strato di idrogeno non reattivo.

Gli atomi di idrogeno sono stati rimossi selettivamente in regioni precisamente definite con la punta metallica superfine dell'STM. Una reazione chimica controllata ha poi incorporato atomi di fosforo nella superficie del silicio.

Finalmente, la struttura è stata incapsulata con uno strato di silicio e il dispositivo è stato contattato elettricamente utilizzando un intricato sistema di indicatori di allineamento sul chip di silicio per allineare i collegamenti metallici. Le proprietà elettroniche del dispositivo erano in eccellente accordo con le previsioni teoriche per un singolo transistor ad atomo di fosforo.

Si prevede che i transistor raggiungeranno il livello del singolo atomo entro il 2020 circa per tenere il passo con la legge di Moore, che descrive una tendenza in corso nell'hardware dei computer che vede il numero di componenti del chip raddoppiare ogni 18 mesi.

Questo importante progresso ha sviluppato la tecnologia per renderlo possibile molto prima del previsto e fornisce preziose informazioni ai produttori su come si comporteranno i dispositivi una volta raggiunto il limite atomico, dice il professor Simmons.