Atomarer Transistor

Was ist ein atomarer Transistor?

Ein atomarer Transistor, auch Einzelatomtransistor genannt, ist ein elektrisches Bauelement, mit dem sich ein elektrischer Schaltkreis ähnlich wie mit einem Relais öffnen und schließen lässt. Möglich wird dies durch die kontrollierte und reversible Umpositionierung eines einzelnen Atoms oder Moleküls.

Herkömmliche Transistoren dienen zum einen als Verstärker, zum anderen sind sie die Schalter, die in Computern 0 und 1 darstellen. Einzelatomtransistoren sind nur im zweiten Sinne Transistoren. Bei manchen Realisierungen tragen sie nicht die digitale Information {0,1}, sondern die eines Qubits.

Polypyridin-Aufhängung

2002 realisierte die Forschungsgruppe von Paul McEuen an der Cornell University einen Einzelatomtransistor, bei dem ein Kobalt-Atom in einem Poly-Pyridin-Molekül zwischen zwei Goldelektroden aufgehängt wurde. Durch die Gatterspannung kann das Kobalt-Atom zwischen den Ladungszuständen Co2+ und Co3+ gesteuert werden.

Graphen-Transistoren

Kostya Novoselov und Andre Geim von der Manchester University gelang es 2004, Transistoren zu bauen, indem sie eine Graphenschicht auf Silizium aufbrachten. Der Transistor war eine Atomlage dick und in der Größenordnung weniger Atome. Für ihre Arbeiten über Graphen erhielten die beiden 2010 den Nobelpreis für Physik.

Silberatom in Elektrolytlösung

Die seit 2004 vom Karlsruher Institut für Technologie hergestellten Prototypen bestehen aus Goldelektroden auf einem Trägermaterial wie Glas oder Silizium. Durch Anlegen einer kleinen elektrischen Spannung an eine Kontrollelektrode, die sogenannte Gateelektrode, wird ein einzelnes Silberatom reversibel zu einer winzigen Kontaktstelle hin- und von dieser wegbewegt, sodass sich ein elektrischer Kontakt schließt und öffnet. Das schaltbare Atom öffnet und schließt die Lücke zwischen den zwei winzig kleinen Elektroden Source und Drain; der Transistor wirkt so als atomarer Schalter oder atomares Relais.

Der Abstand zwischen den Anschlüssen beträgt 50 bis 100 nm. Zur Produktion wird auf den beiden Elektroden solange Silber abgeschieden, bis ihr Kontakt durch ein Silberatom hergestellt wird. Dieses Atom wird so ausgerichtet, dass es sich zwischen zwei stabilen Positionen bewegen kann, damit der Kontakt entweder vollständig geöffnet oder geschlossen ist. Mit der Spannung zwischen Source und Gate lässt sich die Position des Silberatoms so steuern, dass sich der Laststromkreis zwischen Drain und Source öffnet oder schließt.

Das Bauelement markiert die untere Grenze der Miniaturisierung, da Strukturgrößen, die kleiner als ein Atom sind, nicht hergestellt werden können. Es ist ein Quantentransistor, dessen Leitwert des Source-Drain-Kanals durch die Gesetze der Quantenmechanik festgelegt wird. Es kann bei Raumtemperatur und unter realen Umgebungsbedingungen betrieben werden, also ohne Kühlung und ohne Vakuum.

Phosphordotierung von Siliciumoberflächen

2011 gelang einer Kooperation aus australischen, südkoreanischen, US-amerikanischen und deutschen Wissenschaftlern der Bau eines Transistors an der Oberfläche von Silizium. Sowohl die Elektroden als auch der eigentliche Transistor wurden mit Phosphor dotiert. Dadurch ist das schaltende Atom an einer Gitterstelle des Siliziums fixiert (ca. 1 nm), während bei den bisherigen Versuchsaufbauten Ortsungenauigkeiten von ca. 10 nm in Kauf genommen werden mussten.

Verwendungszwecke und Vorteile

Atomare Transistoren werden durch wenige Atome geschaltet, wodurch die Schaltzeiten wesentlich kürzer als bei herkömmlichen Transistoren sind und der Einsatz in der Hochfrequenztechnik ermöglicht wird.

Das Schalten ist schon bei Spannungen von einigen Millivolt möglich, daher ist die Leistungsaufnahme dieser Bauelemente sehr gering.

Da nur wenige Atome oder Moleküle zum Schalten verwendet werden, gibt es nur die zwei Schaltzustände „durchlässig“ und „undurchlässig“. Gegenüber stufenlos schaltbaren, halbleiterbasierten Transistoren ist das ein Vorteil bei der Konstruktion von Quantenbauelementen und Quantencomputern.