In de drive om klein te worden, Robert Wolkow en zijn lab aan de Universiteit van Alberta zetten grote stappen voorwaarts.

Het digitale tijdperk heeft geleid tot een opeenvolging van kleinere, schonere en minder energieverslindende technologieën sinds de tijd dat de pc op een bureau paste, ter vervanging van mainframemodellen die ooit hele kamers vulden. Desktop-pc's hebben sindsdien plaatsgemaakt voor kleinere en kleinere laptops, smartphones en apparaten die de meesten van ons in onze zakken hebben.

Maar zoals Wolkow aangeeft, deze technologische krimp kan alleen zo ver gaan bij het gebruik van traditionele, op transistors gebaseerde geïntegreerde schakelingen. Daarom willen hij en zijn onderzoeksteam geheel nieuwe technologieën bouwen op atomaire schaal.

"Ons uiteindelijke doel is om ultra-low-power elektronica te maken, want dat is wat de wereld op dit moment het meest vraagt, " zei Wolk, de iCORE-leerstoel in informatie- en communicatietechnologie op nanoschaal aan de faculteit Bètawetenschappen. "We naderen enkele fundamentele limieten die de 30 jaar durende drive om dingen sneller te maken, zullen stoppen. goedkoper, beter en kleiner; hier komt binnenkort een einde aan.

"Er zal een geheel nieuwe computermethode nodig zijn."

Elektronica op atoomschaal

Wolkow en zijn team in de fysica-afdeling van de U of A en het National Institute for Nanotechnology werken aan het ontwikkelen van atomair nauwkeurige technologieën die praktische, toepassingen in de echte wereld. Zijn lab bereikte al het Guinness Book of World Records voor het uitvinden van 's werelds scherpste object - een microscooppunt van slechts één atoom breed aan het uiteinde.

Ze maakten een eerdere doorbraak in 2009 toen ze de kleinste kwantumstippen ooit maakten - een enkel siliciumatoom van minder dan een nanometer breed - met behulp van een techniek die later deze maand een Amerikaans patent zal krijgen.

Kwantumstippen, Wolko zegt, zijn vaten die elektronen opsluiten, net als zakken op een pooltafel. De stippen kunnen zo uit elkaar worden geplaatst dat elektronen zich tegelijkertijd in twee zakken kunnen bevinden, waardoor ze kunnen communiceren en elektronen kunnen delen - een niveau van controle dat ze bij uitstek geschikt maakt voor computerachtige circuits.

"Het kan net zo belangrijk zijn als de transistor, ", zegt Wolkow. "Het legt de basis voor een geheel nieuwe basis van elektronica, en vooral, ultra-low-power elektronica."

Nieuwe ontdekkingen effenen de weg voor superieure nano-elektronica

Wolkow en zijn team hebben voortgebouwd op hun eerdere successen, het modificeren van scanning tunneling microscopen met hun atoombrede microscooppunt, die ionen uitzendt in plaats van licht met een superieure resolutie. Als de naald van een platenspeler, de microscopen kunnen de topografie van siliciumatomen traceren, het waarnemen van oppervlaktekenmerken op atomaire schaal.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , postdoctoraal fellow Bruno Martins samen met Wolkow en andere teamleden, voor het eerst waargenomen hoe een elektrische stroom door de huid van een siliciumkristal vloeit en ook de elektrische weerstand gemeten terwijl de stroom over een enkele atomaire stap bewoog.

Wolkow zegt dat siliciumkristallen meestal glad zijn, behalve deze atomaire trappen - kleine onvolkomenheden waarbij elke stap één atoom hoog is. Weten wat elektrische weerstand veroorzaakt en in staat zijn om de grootte van weerstand vast te leggen, maakt de weg vrij om superieure nano-elektronische apparaten te ontwerpen, hij zegt.

In een andere eerste, dit keer onder leiding van promovendus Marco Taucer, het onderzoeksteam observeerde hoe enkele elektronen in en uit de kwantumstippen springen, en bedacht een methode om te controleren hoeveel elektronen in de zak passen en om de lading van de stip te meten. Vroeger, zulke waarnemingen waren onmogelijk omdat alleen al het proberen om iets te meten dat zo buitengewoon klein is, het verandert, zegt Wolk.

"Stel je voor dat als je met je ogen naar iets kijkt, de handeling van ernaar te kijken, vervormde het op de een of andere manier, "zegt hij. "We kunnen die verstoring nu vermijden door te kijken, en kan dus toegang krijgen tot de punten in circuits en deze nuttig inzetten."

De bevindingen van het team, ook gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , geven wetenschappers de mogelijkheid om de lading van kwantumstippen te volgen. Ze hebben ook een manier gevonden om kwantumstippen te maken die functioneren bij kamertemperatuur. wat betekent dat dure cryogenie niet nodig is.

"Dat is spannend, want plotseling, dingen die als exotisch werden beschouwd, verre ideeën zijn nabij. We denken dat we ze kunnen bouwen."

De volgende generatie elektronica op de markt brengen

Wolkow en zijn team geloven zo sterk in het commerciële potentieel van circuits op atomaire schaal, twee jaar geleden lanceerden ze hun eigen spin-off bedrijf, Quantum Silicon Inc. In de komende vijf tot zes jaar zal QSI is van plan het potentieel te demonstreren van deze "extreem groene" circuits die gebruik kunnen maken van kleinere, batterijen met een langere levensduur.

Het verplaatst ze ook van het rijk van fundamenteel naar toegepast onderzoek en real-world scenario's, zegt Wolk.

"We hebben deze mooie connectie waar we een oefenterrein hebben voor studenten en hoge academische ambities voor vooruitgang, maar die dingen gaan heel natuurlijk en onmiddellijk over naar deze praktische entiteit."

Veel van hun inspanningen zullen in eerste instantie gericht zijn op het creëren van hybride technologieën:het toevoegen van circuits op atomaire schaal aan conventionele elektronica zoals GPS-apparaten of satellieten, zoals het vervangen van één schakel in een ketting gezien de tijdsintensiviteit van het maken van de nieuwe circuits. Het kan tien jaar duren voordat het mogelijk is om circuits op atoomschaal in massa te produceren, maar het toekomstpotentieel is zeer sterk, zegt Wolk.

"Het heeft het potentieel om de elektronische basis van de wereld volledig te veranderen. Het is een vooruitzicht van een biljoen dollar."