Moderne technologie centreert zich grotendeels rondom de logische circuits van de semiconductors. Het uitbreiden van de logica naar het domein van de nanotechnologie vereist de samenstelling van informatiesystemen op atomaire schaal. Dat is een grote uitdaging gebleken. ‘Both the electric nature of individual atoms and the need to place them at specific points within a crystal lattice has kept scientists from creating atom-scale transistors until the present’, zo stelt Michelle Simmons, leider van de groep wetenschapper van de University of New South Wales en directeur daar van het ARC Centre for Quantum Computation and Communication Technology. ‘We have created a working transistor consisting of a single atom placed precisely in a silicon crystal’. Deze atomaire accuraatheid kan een elementaire bouwsteen zijn voor een toekomstige quantumcomputer van ongekende efficiency. Tot nu toe zijn dit soort transistoren, bestaande uit een atoom, slechts bij toeval gerealiseerd, waarbij de onderzoekers veelal ‘have had to search through many devices or tune multi-atom devices to isolate one that works’.
‘But this device is perfect’, zo stelt Simmons. ‘This is the first time anyone has shown control of a single atom in a substrate with this level of precise accuracy’. Volgens onderzoeker en ‘leading’ auteur Martin Fuechsle ‘The microscopic device even has tiny visible markers etched onto its surface so researchers can connect metal contacts and apply a voltage. Our group has proved that it is really possible to position one phosphorus atom in a silicon environment – exactly as we need it – with near-atomic precision, and at the same time register gates’. Dat is ook te zien op de YouTubevideo, die het team heeft gepubliceerd. ‘The device is also remarkable’, zo gaat Fuechsle verder, ‘because its electronic characteristics exactly match theoretical predictions undertaken with Professor Gerhard Klimeck’s group at Purdue University in the US and Professor Lloyd Hollenberg’s group at the University of Melbourne’. Beiden zijn ook ‘joint authors, net als Oliver Warschkow (University of Sydney School of Physics), die bijgedragen heeft aan het ontwikkelen van het mechanisme dat de fosfor plaatste op de betreffende plek.
Het Knowledge Transfer Network, Nanotechnology, beschrijft het onderzoek als volgt: ‘The UNSW team used a scanning tunnelling microscope (STM) to see and manipulate atoms at the surface of the crystal inside an ultra-high vacuum chamber. Using a lithographic process, they patterned phosphorus atoms into functional devices on the crystal then covered them with a non-reactive layer of hydrogen. Hydrogen atoms were removed selectively in precisely defined regions with the super-fine metal tip of the STM. A controlled chemical reaction then incorporated phosphorus atoms into the silicon surface. Finally, the structure was encapsulated with a silicon layer and the device contacted electrically using an intricate system of alignment markers on the silicon chip to align metallic connects. The electronic properties of the device were in excellent agreement with theoretical predictions for a single phosphorus atom transistor’.
Een voorspelling is altijd geweest dat rond 2020 transistoren het niveau van de afzonderlijke atomen zou bereiken om in lijn te blijven met de Wet van Moore, die stelt dat er een voortdurende trend is in het gebruik van chips in computers en wel zodanig dat iedere 18 maanden het aantal chips verdubbelt. Door deze ontdekking is het mogelijk om het atoomniveau te bereiken voordat 2022 aangebroken is. ‘It gives valuable insights to manufacturers into how devices will behave once they reach the atomic limit’, zo stelt Simmons.
Klimeck, die in Purdue de simulaties deed, stelt dat het een zeer belangrijke ontwikkeling is omdat het toont hoe uiterst kleine elektronische componenten kunnen worden ontwikkeld. ‘To me, this is the physical limit of Moore’s Law. We can’t make it smaller than this’. De ‘single-atom transistor’ heeft een ernstige beperking: het functioneert enkel in ijskoude omstandigheden, minimaal net zo koud als vloeibaar stikstof: 196 graden Celcius onder nul. ‘The atom sits in a well or channel, and for it to operate as a transistor the electrons must stay in that channel’, zo verklaart Klimeck. ‘At higher temperatures, the electrons move more and go outside of the channel. For this atom to act like a metal you have to contain the electrons to the channel. If someone develops a technique to contain the electrons, this technique could be used to build a computer that would work at room temperature. But this is a fundamental question for this technology’.
Hoe belangrijk de ontdekking ook is, het zegt niets over de haalbaarheid van quantumcomputers. Zo stelt Simmons. ‘The answer to this lies in whether quantum coherence can be controlled over large numbers of qubits. The technique we have developed is potentially scalable, using the same materials as the silicon industry, but more time is needed to realize this goal’.
Het onderzoek is wel een climax van tien jaar onderzoek door Simmons en haar collega’s. ‘When I established this program 10 years ago, many people thought it was impossible with too many technical hurdles. However, on reading into the literature I could not see any practical reason why it would not be possible’, zo stelt ze. ‘Brute determination and systemic studies were necessary — as well as having many outstanding students and postdoctoral researchers who have worked on the project’.
Het artikel is te vinden in Nature Nanotechnology.
