Tek Atomlu Transistörler İçin Yeni Tarif, Benzersiz Bellek ve İşlem Gücü ile Kuantum Bilgisayarları Etkinleştirebilir
11 Mayıs 2020
admin
Paylaş

Single-Atom Transistor

Bu cihazların birden fazla kopyasının bağlanması kuantum hesaplama için temel oluşturabilir.

Düşünülemez hale geldiğinde, sadece birkaç – atom kümesinden veya hatta tek atomdan oluşan transistörler, benzersiz bellek ve işlem gücüne sahip yeni nesil bilgisayarlar. Ancak bu minik transistörlerin – minyatür elektrikli açma-kapama anahtarlarının – tam potansiyelini gerçekleştirmek için araştırmacılar, bu kötü şöhretli üretim bileşenlerinin birçok kopyasını yapmanın bir yolunu bulmalıdır.

Şimdi, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) araştırmacılar ve Maryland Üniversitesi’ndeki meslektaşları, atom ölçekli cihazları üretmek için adım adım bir tarif geliştirdiler. Bu talimatları kullanarak, NIST liderliğindeki ekip dünyada tek atomlu bir transistör inşa eden ikinci ve cihazların geometrisi üzerinde atom ölçeği kontrollü bir dizi tekli elektron transistör üreten ilk kişi oldu. Bilim adamları, klasik fizik elektronların yeterli enerjiden yoksun oldukları için elektronların bunu yapmasını yasaklasa bile, transistörlerindeki fiziksel bir boşluk veya elektrik bariyerinden tek tek elektronların akış hızını hassas bir şekilde ayarlayabileceklerini gösterdiler. Kuantum tünelleme olarak bilinen bu kesinlikle kuantum fenomeni, minyatür transistörlerde olduğu gibi, boşluklar son derece küçük olduğunda önemli hale gelir. Kuantum tünelleme üzerinde kesin kontrol anahtardır çünkü transistörlerin sadece kuantum mekaniği ile mümkün olan bir şekilde “birbirine dolanmasına” veya birbirine bağlanmasına olanak tanır ve kuantum hesaplamada kullanılabilecek kuantum bitleri (kübitler) oluşturmak için yeni olanaklar açar.

Tek atomlu ve birkaç atomlu transistörlerin imal edilmesi için ekip, silikon bir çipin, silikona kolayca bağlanan bir hidrojen atomu tabakası ile kaplandığı bilinen bir tekniğe güveniyordu. Bir tarama tünelleme mikroskobunun ince ucu daha sonra seçilen bölgelerdeki hidrojen atomlarını çıkardı. Kalan hidrojen bir bariyer görevi gördü, böylece ekip fosfin gazını yönlendirdiğinde (PH 3 ) silikon yüzeyinde, sadece hidrojenin bulunduğu yerlere bağlı bireysel PH 3 molekülü kaldırıldı (animasyona bakın). Araştırmacılar daha sonra silikon yüzeyi ısıttı. Isı hidrojen atomlarını PH 3’ten dışarı attı ve geride kalan fosfor atomuna neden oldu kendini yüzeye gömdü. Ek işleme ile bağlı fosfor atomları, kubit olma potansiyeline sahip bir dizi yüksek derecede kararlı tek veya birkaç atomlu cihazın temelini oluşturdu.

NIST ekipleri tarafından tasarlanan yöntemdeki adımlardan ikisi – fosfor atomlarını koruyucu silikon tabakalarıyla mühürlemek ve daha sonra gömülü atomlarla elektrik teması yapmak – atomik olarak hassas cihazların birçok kopyasını güvenilir bir şekilde üretmek için gerekli görünmektedir. NIST araştırmacısı Richard Silver söyledi.

Geçmişte, araştırmacılar kusurları gidermek ve silikonun tek atomlu cihazları geleneksel silikon-çip elektrik ile entegre etmek için gerekli saf kristal yapıya sahip olmasını sağlamak için tüm silikon katmanları büyüdükçe tipik olarak ısı uygulamıştır. bileşenler. Ancak NIST bilim adamları, bu tür ısıtmanın bağlı fosfor atomlarını yerinden oynatabileceğini ve potansiyel olarak atom ölçekli cihazların yapısını bozabileceğini buldular. Bunun yerine, ekip ilk birkaç silikon tabakayı oda sıcaklığında bıraktı ve fosfor atomlarının kalmasına izin verdi. Sadece sonraki katmanlar bırakıldığında ekip ısı uyguladı.

“Katmanları uygulama yöntemimizin daha kararlı ve hassas atom ölçekli cihazlar sağladığına inanıyoruz” dedi Silver. Tek bir atomun bile yerinde olmaması, tek veya küçük atom kümeleri içeren elektrikli bileşenlerin iletkenliğini ve diğer özelliklerini değiştirebilir.

Ekip ayrıca, bir devrenin parçası olarak çalışabilmeleri için gömülü atomlarla elektrik teması kurmanın önemli adımı için yeni bir teknik geliştirdi. NIST bilim adamları, silikon yüzeyindeki silikon gömülü cihazın seçilen bileşenlerinin hemen üstünde bulunan belirli bölgelere uygulanan bir palladyum metal tabakasını hafifçe ısıtıyordu. Isıtılan paladyum silikonla reaksiyona girdi ve doğal olarak içeri nüfuz eden palladyum silisid adı verilen elektriksel olarak iletken bir alaşım silikon ve fosfor atomları ile temas halinde.

Son zamanlarda Gelişmiş Fonksiyonel Malzemeler , Silver ve Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. ve Curt Richter’i içeren meslektaşları, iletişim yöntemlerinin yaklaşık% 100 başarı oranına sahip olduğunu vurguladılar. Wyrick, bu önemli bir başarı. “Dünyadaki en iyi tek atomlu transistör cihazına sahip olabilirsiniz, ancak onunla temas kuramazsanız, işe yaramaz” dedi.

Tek atomlu transistörlerin imal edilmesi “belki herkesin dişlerini kesmesi zor ve karmaşık bir süreçtir, ancak diğer ekiplerin deneme yanılma yoluyla devam etmesine gerek kalmaması için adımları attık” dedi Richter.

Bugün İletişim Fiziği’nde yayınlanan ilgili çalışmalarda, Silver ve meslektaşları, tek elektronlu transistörlerde atomik olarak hassas tünel bariyerleri aracılığıyla bireysel elektronların tünel hızını tam olarak kontrol edebildiklerini gösterdiler. NIST araştırmacıları ve meslektaşları, tünel boşluğunun boyutundaki farklılıklar dışında her şekilde aynı olan bir dizi tek elektronlu transistör ürettiler. Akım akışının ölçümleri, transistör bileşenleri arasındaki boşluğu bir nanometreden (bir metrenin milyarda biri) daha az artırarak veya azaltarak, ekibin tek bir elektronun transistörden akışını öngörülebilir bir şekilde tam olarak kontrol edebileceğini gösterdi.

“Kuantum tünelleme, kübitlerin yapımı da dahil olmak üzere herhangi bir kuantum cihazı için çok temel olduğundan, bir seferde bir elektronun akışını kontrol etme yeteneği önemli bir başarıdır,” dedi Wyrick. Buna ek olarak, mühendisler küçük bir bilgisayar çipinde giderek daha fazla devre paketledikçe ve bileşenler arasındaki boşluk azalmaya devam ettikçe, kuantum tünellemenin etkilerini anlamak ve kontrol etmek daha da kritik hale gelecektir, dedi.

Referans: “Atom ‐ by ‐ Atom Tek ve Az Katsayılı Kuantum Cihazları İmalatı” Jonathan Wyrick, Xiqiao Wang, Ranjit V. Kashid, Pradeep Namboodiri, Scott W. Schmucker, Joseph A. Hagmann, Keyi Liu, Michael Stewart Jr., Curt A. Richter, Garnett W. Bryant ve Richard M. Silver, 14 Ağustos 2019, İleri Fonksiyonel Malzemeler .
DOI: 10.1002 / adfm.201903475