А вместо сердца пламенный атом

Разработан первый одноатомный транзистор

Еще один «строительный блок» будущего квантового компьютера готов к использованию — ученые разработали первый транзистор, состоящий всего из одного атома. Необычные характеристики микрообъекта могут сделать будущие технологии принципиально более эффективными, чем используемые сейчас.

Анатолий Чубайс, глава госкорпорации «Роснано», давно обещал в кратчайшие сроки выбросить на рынок отечественную нанопродукцию, после чего заявлял о необходимости покупать нанотехнологии за рубежом. Тем временем мировая наука не стоит на месте и продолжает совершенствовать свои наноустройства. Австралийские и финские ученые разработали транзистор, активной частью которого является всего лишь один атом — фосфора, — внедренный в кремниевую матрицу. Результаты их исследований публикует Nano Letters.

Быстрое развитие компьютеров, которое явилось технической базой существующего сейчас информационного общества, базировалось в основном на уменьшении размера транзисторов. По этой причине, очевидно, в ближайшие десятилетия бурное развитие компьютерных технологий остановится или замедлится. Это произойдет из чисто технических соображений – даже самые маленькие и плотно упакованные транзисторы станут «слишком большими», если не перейдут на атомный уровень. Именно такое решение и предлагают ученые – весь электрический ток проходит всего лишь через один атом.



Слева: изображение измерительного устройства, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Верхний затвор из алюминия (Top gate) индуцирует двумерный слой электронов на кремниевую поверхность. Барьерный затвор разряжает слой электронов в области донорных атомов фосфора (красные шары, изображение наложено на первоначальное). Справа: данные по измерению дифференциальной проводимости устройства в условиях магнитного поля напряженностью 4 Тесла. Красные и желтые шары иллюстрируют два состоянию спина донорного электрона, который индуцирует линии высокой проводимости (показаны серым)//Nano Letters

Слева: изображение измерительного устройства, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Верхний затвор из алюминия (Top gate) индуцирует двумерный слой электронов на кремниевую поверхность. Барьерный затвор разряжает слой электронов в области донорных атомов фосфора (красные шары, изображение наложено на первоначальное). Справа: данные по измерению дифференциальной проводимости устройства в условиях магнитного поля напряженностью 4 Тесла. Красные и желтые шары иллюстрируют два состоянию спина донорного электрона, который индуцирует линии высокой проводимости (показаны серым)//Nano Letters

В основе работы прибора – последовательное туннелирование отдельных электронов между атомом фосфора и выходными контактами транзистора.

Туннелирование подавляется или активируется изменением электрического напряжения на маленьком металлическом электроде – его ширина составляет всего несколько десятков нанометров.

«Конечно, наш транзистор вряд ли будет использоваться в классических компьютерах, да мы и не ставили себе такой цели – разработать очень маленький транзистор для обычного оборудования.

Наш транзистор скорее должен стать сердцем будущего квантового компьютера, над которым сейчас работают ученые по всему миру», — отметил один из авторов работы Микко Меттенен из Технологического университета Хельсинки.

Атомный уровень – итоговый предел сокращения размера транзистора – несет с собой возможные проблемы в работе устройства. Они связаны с так называемыми квантово-механическими эффектами.

Микромир живет по законам, отличным от физики макромира, поэтому обычная работа макротранзистора может пойти по иному пути на атомарном уровне.

С другой стороны, квантовые эффекты открывают недоступные в обычных условиях возможности в работе транзистора. Если ученые смогут их контролировать, новые квантовые компьютеры, возможно, будут работать по принципиально другой, более эффективной схеме.

Атомарный транзистор — родной брат технологий спинтроники. Именно изменение ориентации спина электронов донорного атома фосфора позволяет кодировать так называемый квантовый бит, или «кубит» информации.