Naukowcy utworzyć nowy przepis na tranzystorach pojedynczego atomu

Teraz naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) i ich koledzy z University of Maryland opracowali przepis krok po kroku do produkcji urządzeń atomową skalę. Za pomocą tych instrukcji, zespół NIST LED zawiera się jedynie drugi na świecie skonstruować tranzystor pojedynczego atomu i pierwszy wytwarzać szereg pojedynczych tranzystorów elektronów z kontrolą atom skalę na geometrię urządzeń.

Badacze wykazali, że mogą one dokładnie regulować szybkość, przy której pojedyncze elektrony przepływu przez szczelinę lub fizycznej bariery elektrycznej ich tranzystora chociaż fizyki klasycznej nie pozwoliłby elektrony od tego z powodu braku wystarczającej ilości energii. Że zjawisko ściśle kwantowa, zwana tunelowania kwantowego, tylko staje się ważne, gdy braki są bardzo małe, tak jak w miniaturowych tranzystorów. Precyzyjna kontrola nad kwantowego tunelowania jest kluczowa, ponieważ umożliwia tranzystory stać się „splątane” lub powiązane w sposób możliwy tylko dzięki mechanice kwantowej i otwiera nowe możliwości tworzenia bity kwantowe (qubitów), które mogą być stosowane w informatyce kwantowej.

W celu wytworzenia pojedynczej atom wodoru i atom kilka tranzystorów zespół oparła się na znanej techniki, w których układ krzemu jest pokryta warstwą atomów wodoru, który łatwo wiążą się z krzemu. Końcówka porządku z tunelowego mikroskopu skaningowego, a następnie usuwa się atomy wodoru w wybranych miejscach. Pozostałą wodoru działał jako bariery tak, że gdy zespół skierowany gazu fosforowodór (PH3) na powierzchni krzemu, poszczególne cząsteczki PH3 przyłączone tylko do miejsc, w których atomy wodoru zostały usunięte (patrz animacji). Badacze ogrzewa powierzchnię krzemu. Ciepło wysunięta atomów wodoru z PH3 i spowodował atom fosforu, który został pozostawiony do osadzania się na powierzchni. Dzięki dodatkowej obróbce utworzona związane atomy fosforu podstawę szeregu stabilnych urządzeń jedno lub kilka atomów, które mają potencjał do służenia jako qubitach.

Dwa z tych kroków w sposób opracowany przez zespoły NIST uszczelniające atomy fosforu, z warstwami ochronnymi z krzemu, a następnie kontaktu elektrycznego z umieszczonymi węgla, wydają się być istotne z punktu widzenia niezawodnie Wyprodukuj wielu kopii atomowo precyzyjnych urządzeń NIST badacz Richard srebrny powiedział.

W przeszłości, badacze zazwyczaj wpływem ciepła, ponieważ wszystkie warstwy silikonu są hodowane w celu usunięcia wad i zapewnić, że krzem ma krystalicznej struktury wymagane do włączenia urządzenia pojedynczego atomu krzemu chip konwencjonalnych elementów elektrycznych. Ale naukowcy NIST że takie ogrzewanie może usunąć te związane atomy fosforu i ewentualnie zakłócić strukturę urządzenia atomowy skalę. Zamiast tego, zespół złożony z kilku warstw pierwszych krzemu w temperaturze pokojowej, pozwalając atomów fosforu do pobytu umieścić. Tylko wtedy, gdy kolejne warstwy były osadzane zespół nie stosuje się ciepło.

„Wierzymy, że nasza metoda nakładania warstw zapewnia bardziej stabilne i precyzyjne urządzenia atomową skalę”, powiedział Silver. Mając nawet wydzielić atomową miejscu można zmieniać przewodnictwo i inne właściwości elektrycznych komponentów, które posiadają jedno- lub małe grupy atomów.

Zespół opracował również nową technikę stosowaną w kluczowym etapie dokonywania kontaktu elektrycznego z pochowanych atomów tak, że mogą one działać jako część obwodu. Naukowcy NIST ogrzewano łagodnie warstwa metalicznego palladu stosuje się do poszczególnych regionów na powierzchni krzemu, który przebywał bezpośrednio nad wybranymi komponentami urządzenia krzemu osadzonych. Ogrzane palladu reaguje z krzemem, tworząc przewodzący elektrycznie stop o nazwie krzemku palladu, które w naturalny sposób przebity przez krzemu, uzyskany kontakt z atomami fosforu.

W ostatnim wydaniu Zaawansowanych Materiałów Funkcjonalnych, srebra i jego współpracowników, którzy zawierają Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. i Curt Richter, podkreślił, że ich metoda kontakt ma prawie 100% skuteczność. To kluczowym osiągnięciem zauważyć Wyrick. „Można mieć najlepsze urządzenie pojedynczego atomu tranzystor na świecie, ale jeśli nie można nawiązać kontakt z nim, to jest bezużyteczne,” powiedział.

Wytwarzania tranzystorów pojedynczy atom „jest trudny i skomplikowany proces, który może każdy musi obniżyć swoje zęby, ale mamy rozplanowane kroki tak, że inne zespoły nie muszą postępować metodą prób i błędów”, powiedział Richter.

W powiązanej pracy opublikowane dzisiaj w komunikacji Fizyki, srebra i jego współpracownicy wykazali, że mogą precyzyjnie kontrolować tempo, w jakim poszczególne elektrony tunel atomowo precyzyjnych barier tunel w tranzystorach pojedynczych elektronów. Naukowcy NIST i ich koledzy sfabrykowane serię tranzystorów jednoelektronowych identycznych pod każdym względem z wyjątkiem różnic w wielkości luki tunelowania. Pomiary wykazały, że przepływ prądu przez zwiększanie lub zmniejszanie różnic między elementami tranzystor mniej niż nanometra (miliardowej metra), zespół może precyzyjnie kontrolować przepływ pojedynczego elektronu przez tranzystor w przewidywalny sposób.

„Ponieważ tunelowany kwantowo tak ważne dla każdego urządzenia kwantowej, wraz z budową qubitach, zdolność do kontrolowania przepływu jednego elektronu w czasie, jest znaczącym osiągnięciem” Wyrick mówi. Ponadto, jak inżynierowie pakować coraz więcej obwodów na maleńkim chipie komputerowym, a różnica między składnikami kurczy się, zrozumienia i kontrolowania skutków kwantowego tunelowania staną się jeszcze bardziej krytyczna, Richter powiedział.

źródło National Institute of Standards and Technology (NIST). "Scientists create new recipe for single-atom transistors: Linking multiple copies of these devices may lay the foundation for quantum computing." ScienceDaily. ScienceDaily, 11 May 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200511092920.htm>.