In een opmerkelijke prestatie van micro-engineering, UNSW-natuurkundigen hebben een werkende transistor gemaakt die bestaat uit een enkel atoom dat precies in een siliciumkristal is geplaatst.

Het kleine elektronische apparaat, vandaag beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , gebruikt als zijn actieve component een individueel fosforatoom met een patroon tussen elektroden op atomaire schaal en elektrostatische controlepoorten.

Deze ongekende atomaire nauwkeurigheid kan de elementaire bouwsteen opleveren voor een toekomstige kwantumcomputer met ongeëvenaarde rekenefficiëntie.

Tot nu, enkel-atoomtransistors zijn alleen bij toeval gerealiseerd, waar onderzoekers ofwel veel apparaten moesten doorzoeken of apparaten met meerdere atomen moesten afstemmen om er een te isoleren die werkt.

"Maar dit apparaat is perfect", zegt professor Michelle Simmons, groepsleider en directeur van het ARC Center for Quantum Computation and Communication bij UNSW. "Dit is de eerste keer dat iemand de controle over een enkel atoom in een substraat met dit niveau van nauwkeurige nauwkeurigheid heeft aangetoond."

Het microscopische apparaat heeft zelfs kleine zichtbare markeringen die op het oppervlak zijn geëtst, zodat onderzoekers metalen contacten kunnen aansluiten en een spanning kunnen aanbrengen, zegt onderzoeker en hoofdauteur dr. Martin Fuechsle van UNSW.

"Onze groep heeft bewezen dat het echt mogelijk is om één fosforatoom in een siliciumomgeving te plaatsen - precies zoals we het nodig hebben - met bijna atomaire precisie, en tegelijkertijd poorten registreren, " hij zegt.

Het apparaat is ook opmerkelijk, zegt Dr Fuechsle, omdat de elektronische kenmerken exact overeenkomen met theoretische voorspellingen die zijn gedaan met de groep van professor Gerhard Klimeck aan de Purdue University in de VS en de groep van professor Hollenberg aan de universiteit van Melbourne, de gezamenlijke auteurs op het papier.

Het UNSW-team gebruikte een scanning tunneling microscope (STM) om atomen aan het oppervlak van het kristal in een ultrahoge vacuümkamer te zien en te manipuleren. Met behulp van een lithografisch proces, ze vormden fosforatomen in functionele apparaten op het kristal en bedekten ze vervolgens met een niet-reactieve laag waterstof.

Waterstofatomen werden selectief verwijderd in nauwkeurig gedefinieerde gebieden met de superfijne metalen punt van de STM. Een gecontroleerde chemische reactie bracht vervolgens fosforatomen in het siliciumoppervlak.

Eindelijk, de structuur was ingekapseld met een siliciumlaag en het apparaat maakte elektrisch contact met behulp van een ingewikkeld systeem van uitlijnmarkeringen op de siliciumchip om metalen verbindingen uit te lijnen. De elektronische eigenschappen van het apparaat kwamen uitstekend overeen met theoretische voorspellingen voor een enkele fosforatoomtransistor.

Er wordt voorspeld dat transistors tegen 2020 het niveau van één atoom zullen bereiken om gelijke tred te houden met de wet van Moore, die een aanhoudende trend in computerhardware beschrijft waarbij het aantal chipcomponenten elke 18 maanden verdubbelt.

Deze grote vooruitgang heeft de technologie ontwikkeld om dit ruim voor de planning mogelijk te maken en geeft fabrikanten waardevolle inzichten in hoe apparaten zich zullen gedragen zodra ze de atomaire limiet bereiken, zegt professor Simmons.