Een team onder leiding van de Universiteit van Pittsburgh heeft een transistor met één elektron gemaakt die een bouwsteen vormt voor nieuwe, krachtiger computergeheugen, geavanceerde elektronische materialen, en de basiscomponenten van kwantumcomputers.

De onderzoekers rapporteren in Natuur Nanotechnologie dat de centrale component van de transistor - een eiland met een diameter van slechts 1,5 nanometer - werkt met de toevoeging van slechts één of twee elektronen. Dat vermogen zou de transistor belangrijk maken voor een reeks computertoepassingen, van ultradichte herinneringen tot kwantumprocessors, krachtige apparaten die beloven problemen op te lossen die zo complex zijn dat alle computers van de wereld die miljarden jaren samenwerken, ze niet kunnen kraken.

In aanvulling, het kleine centrale eiland zou kunnen worden gebruikt als een kunstmatig atoom voor het ontwikkelen van nieuwe klassen kunstmatige elektronische materialen, zoals exotische supergeleiders met eigenschappen die niet in natuurlijke materialen voorkomen, verklaarde hoofdonderzoeker Jeremy Levy, een professor in natuurkunde en astronomie in Pitt's School of Arts and Sciences. Levy werkte met hoofdauteur en Pitt-student natuurkunde en astronomie Guanglei Cheng, evenals met Pitt natuur- en sterrenkunde-onderzoekers Feng Bi, Daniela Bogorin, en Cheng Cen. De Pitt-onderzoekers werkten samen met een team van de Universiteit van Wisconsin in Madison onder leiding van professor materiaalwetenschappen en techniek Chang-Beom Eom, waaronder onderzoeksmedewerkers Chung Wun Bark, Jae Wan Park, en Tsjaad Folkman. Ook onderdeel van het team waren Gilberto Medeiros-Ribeiro, van HP Labs, en Pablo F. Siles, een doctoraatsstudent aan de Staatsuniversiteit van Campinas in Brazilië.

Levy en zijn collega's noemden hun apparaat SketchSET, of schetsgebaseerde enkel-elektrontransistor, na een techniek ontwikkeld in het lab van Levy in 2008 die werkt als een microscopische Etch A SketchTM, het tekenspeelgoed dat het idee inspireerde. Met behulp van de scherpe geleidende sonde van een atoomkrachtmicroscoop, Levy kan elektronische apparaten maken zoals draden en transistors van nanometerafmetingen op het grensvlak van een kristal van strontiumtitanaat en een 1,2 nanometer dikke laag lanthaanaluminaat. De elektronische apparaten kunnen dan worden gewist en de interface kan opnieuw worden gebruikt.

De SketchSET, de eerste transistor met één elektron die volledig is gemaakt van materialen op oxidebasis, bestaat uit een eilandformatie die maximaal twee elektronen kan bevatten. Het aantal elektronen op het eiland - dat slechts nul kan zijn, een, of twee - resulteert in verschillende geleidende eigenschappen. Draden die zich uitstrekken vanaf de transistor dragen extra elektronen over het eiland.

Een voordeel van een transistor met één elektron is zijn extreme gevoeligheid voor elektrische lading, Levy legde uit. Een andere eigenschap van deze oxidematerialen is ferro-elektriciteit, waardoor de transistor kan fungeren als een solid-state geheugen. De ferro-elektrische toestand kan, bij gebrek aan externe kracht, het aantal elektronen op het eiland regelen, die op zijn beurt kan worden gebruikt om de 1- of 0-status van een geheugenelement weer te geven. Een computergeheugen op basis van deze eigenschap zou informatie kunnen vasthouden, zelfs wanneer de processor zelf is uitgeschakeld, zei Levy. De ferro-elektrische toestand is naar verwachting ook gevoelig voor kleine drukveranderingen op nanometerschaal, waardoor dit apparaat potentieel bruikbaar is als een lading- en krachtsensor op nanoschaal.

Sinds augustus 2010 Levy leidde een $ 7,5 miljoen, multi-institutioneel project om een ​​halfgeleider te bouwen met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met SketchSET, hij zei. Gefinancierd door het Multi-University Research Initiative (MURI)-programma van het U.S. Air Force Office of Scientific Research, de vijfjarige inspanning is bedoeld om enkele van de belangrijkste uitdagingen in verband met de ontwikkeling van kwantuminformatietechnologie te overwinnen. Levy werkt aan dat project samen met onderzoekers van Cornell, Stanford, de Universiteit van Californië in Santa Barbara, de Universiteit van Michigan, en UW-Madison.