Transistors zijn een van de belangrijkste apparaten in de elektronica en vormen het hart van moderne computers. De progressieve miniaturisering van transistors nadert snel de atomaire schaal, waar zelfs de kleinste imperfectie een aanzienlijk effect kan hebben op de prestaties. Keiji Ono en collega's van het RIKEN Low Temperature Physics Laboratory hebben nu een methode ontwikkeld om de operationele kenmerken van 'quantum dot'-transistors met één atoom te meten zonder de invloed van omringende imperfecties.

Wanneer een zuiver materiaal wordt geïmplanteerd met geïsoleerde atomen van een ander element, het onzuiverheidsatoom kan zich gedragen als een kwantumpunt, met eigenschappen die heel anders zijn dan de gastheermatrix. Quantum dots kunnen de basis vormen voor de werking van een transistor:het in- of uitschakelen van een uitgang, afhankelijk van de toestand van een ingang - en kan het transport van elektronen door de transistor vergemakkelijken, zelfs wanneer elektronen door het omringende materiaal worden getransporteerd, meestal silicium, is geblokkeerd. In deze configuratie, terwijl alle elektronen door de kwantumstip gaan, ze kunnen dit slechts één tegelijk doen. Dit maakt de kwantumfysische eigenschappen van de kwantumdots dominant in de werking van de transistor, het produceren van een karakteristieke diamantvorm in de gemeten stroom-spanningsrelatie.

Single-elektron transport door de transistor, echter, is erg gevoelig voor externe verstoringen. Onzuiverheden in andere delen van de transistor kunnen verdwaalde elektrische velden veroorzaken die fungeren als kwantumstippen en zo het elektrische gedrag van de transistor en het uiterlijk van de diamantvorm in de elektrische curven beïnvloeden.

Om dergelijke effecten tegen te gaan, Ono en zijn collega's ontwikkelden een meettechniek waarmee ze de effecten van deze 'verdwaalde' kwantumdots kunnen kwantificeren, zodat de ware eigenschappen van de belangrijkste kwantumdot kunnen worden geïsoleerd. De methode is gebaseerd op metingen van de prestaties van de transistor bij verschillende elektrische spanningen, die worden geanalyseerd met behulp van een elektronentransportmodel dat de elektrische effecten van verdwaalde kwantumstippen omvat. Onder de vele toepassingen, deze informatie helpt onderzoekers te begrijpen welke spanningen op de transistors moeten worden toegepast om het transportregime van één elektron te optimaliseren.

Hoewel de kwantumeigenschappen van elektronentransport door kwantumpunttransistors alleen bij lage temperaturen verschijnen, het begrijpen van de betrokken processen is ook belangrijk voor de optimalisatie van reguliere transistors bij kamertemperatuur, waarvan bekend is dat ze worden beïnvloed door de aanwezigheid van enkele defecten in het transistorkanaal, zegt Ono. "We weten heel veel over kwantumdots. Het toepassen van kwantumdotfysica op commerciële transistors is een uitdaging, maar kan zeer nuttige implicaties hebben."