世界上最小的晶體管——准固態單原子晶體管

在卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的物理學家Thomas Schimmel教授及其團隊開發出了一種單原子晶體管，這是世界上最小的晶體管。該量子電子元件通過控制單個原子的重新定位來開關電流，現在也在凝膠電解質中處於固態。該單原子晶體管在室溫下工作，消耗的能量非常少，這為信息技術開闢了全新的視角。

該晶體管發表在Advanced Materials（「Quasi-Solid-State Single-Atom Transistors」）上。

在凝膠電解質中工作的單原子晶體管達到了微型化的極限。（圖片來源：Thomas Schimmel教授組）

數字化導致高能耗。在工業化國家，信息技術目前佔總功耗的比例超過10％。晶體管是計算中心，電腦，智能手機或嵌入式系統中數字數據處理的核心元素，並且適用於從洗衣機到飛機的許多應用。

市售的低成本USB記憶棒已經包含數十億個晶體管。將來，卡爾斯魯厄理工學院應用物理研究所（APH）的Thomas Schimmel教授和他的團隊開發的單原子晶體管可以大大提高信息技術的能效。

「這種量子電子元件使開關能量比傳統硅技術的能量小10,000倍，」物理學家和納米技術專家Schimmel說道，他在卡爾斯魯厄理工學院的應用物理研究所（APH），納米技術研究所（INT）和材料研究中心進行能源系統（MZE）研究。

今年早些時候，被認為是單原子電子學先驅的Schimmel教授被任命為KIT和蘇黎世聯邦理工學院聯合成立的單原子電子和光子學中心的聯合主任。

在Advanced Materials中，KIT的研究人員展示了達到小型化極限的晶體管。科學家們製作了兩分鐘的金屬接觸。在它們之間，存在與單個金屬原子一樣寬的間隙。

「通過電控脈衝，我們將一個銀原子放入這個間隙並關閉電路，」Thomas Schimmel教授解釋道。「當再次移除銀原子時，電路會中斷。」

世界上最小的晶體管通過單個原子的受控可逆運動來開關電流。與傳統的量子電子元件相反，單原子晶體管不僅在絕對零度即-273℃附近的極低溫度下工作，而且已經可以在室溫下工作。這是未來應用的一大優勢。

單原子晶體管基於全新的技術方法。晶體管完全由金屬組成，不使用半導體。這導致了極低的電壓，因此能耗極低。

如果您到目前為止，卡爾斯魯厄理工學院的單原子晶體管已經應用了液體電解質。現在Thomas Schimmel和他的團隊設計了一種工作於固體凝膠電解質的晶體管，通過用熱解二氧化硅膠凝含銀溶膠電解質產生的凝膠電解質結合了固體的優點和液體的電化學性質。這樣，改善了單原子晶體管的安全性和操作性。

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