Om de computerchips van de toekomst te bouwen, ontwerpers zullen moeten begrijpen hoe een elektrische lading zich gedraagt ​​wanneer deze zich beperkt tot metalen draden met een diameter van slechts enkele atomen.

Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen aan de McGill University, in samenwerking met onderzoekers van General Motors R&D, hebben aangetoond dat elektrische stroom drastisch kan worden verminderd wanneer draden van twee ongelijke metalen elkaar ontmoeten. De verrassend scherpe stroomafname onthult een aanzienlijke uitdaging die materiaalkeuzes en apparaatontwerp in het opkomende gebied van nano-elektronica zou kunnen beïnvloeden.

De omvang van functies in elektronische schakelingen wordt elk jaar kleiner, dankzij de agressieve miniaturisatie voorgeschreven door de wet van Moore, die stelde dat de dichtheid van transistors op geïntegreerde schakelingen elke 18 maanden of zo zou verdubbelen. Deze gestage vooruitgang maakt het mogelijk om computers in onze zakken te dragen, maar vormt een serieuze uitdaging. Naarmate de grootte van kenmerken afneemt tot het niveau van atomen, de weerstand tegen stroom neemt niet langer constant toe naarmate apparaten krimpen; in plaats daarvan "springt de weerstand rond, " de contra-intuïtieve effecten van de kwantummechanica weergeven, zegt McGill Natuurkunde professor Peter Grütter.

"Je zou de analogie van een waterslang kunnen gebruiken, " legt Grütter uit. "Als je de waterdruk constant houdt, er komt minder water uit naarmate u de diameter van de slang verkleint. Maar als je de slang zou krimpen tot de grootte van een rietje met een diameter van slechts twee of drie atomen, de uitstroom zou niet langer afnemen met een snelheid die evenredig is aan het dwarsdoorsnede-oppervlak van de slang; het zou variëren op een gekwantiseerde ('springerige') manier."

Deze "quantum weirdness" is precies wat de onderzoekers van McGill en General Motors hebben waargenomen, zoals beschreven in een nieuw artikel dat verschijnt in Proceedings van de National Academy of Sciences . De onderzoekers onderzochten een ultraklein contact tussen goud en wolfraam, twee metalen die momenteel in combinatie worden gebruikt in computerchips om verschillende functionele componenten van een apparaat met elkaar te verbinden.

Aan de experimentele kant van het onderzoek, Het laboratorium van prof. Grütter gebruikte geavanceerde microscopietechnieken om een ​​wolfraamsonde en een goudoppervlak met atomaire precisie af te beelden, en nauwkeurig gecontroleerd mechanisch samen te brengen. De elektrische stroom door het resulterende contact was veel lager dan verwacht. Mechanische modellering van de atomaire structuur van dit contact werd gedaan in samenwerking met Yue Qi, een onderzoekswetenschapper bij het General Motors R&D Center in Warren, MI.

State-of-the-art elektrische modellering door Jesse Maassen in de McGill Physics onderzoeksgroep van professor Hong Guo bevestigde dit resultaat, waaruit blijkt dat verschillen in elektronische structuur tussen de twee metalen leidt tot een viervoudige afname van de stroom, zelfs voor een perfecte interface. De onderzoekers ontdekten bovendien dat kristaldefecten - verplaatsingen van de normaal perfecte rangschikking van atomen - gegenereerd door de twee materialen in mechanisch contact te brengen, een andere reden waren voor de waargenomen vermindering van de stroom.

"De grootte van die druppel is veel groter dan de meeste experts zouden verwachten - in de orde van 10 keer groter, " merkt prof. Grütter op.

De resultaten wijzen op de noodzaak van toekomstig onderzoek naar manieren om deze uitdaging te overwinnen, eventueel door materiaalkeuze of andere verwerkingstechnieken. "De eerste stap naar het vinden van een oplossing is zich bewust zijn van het probleem, Grütter merkt op. "Dit is de eerste keer dat is aangetoond dat dit een groot probleem is" voor nano-elektronische systemen."