德国卡尔斯鲁厄理工学院托马斯·希梅尔教授领导的团队开发出了单原子晶体管——一种利用电流控制单个原子位移实现开关的量子电子元件. 单原子晶体管可在室温下操作, 并消耗很少电能, 这为未来信息技术开辟了新的应用前景. 这项成果已被刊登在《先进材料》杂志上.
数字化对能源有巨大需求, 在工业化国家中, 信息技术目前用电量占整个工业用电量的10%以上, 无论是计算机处理中心, 个人电脑, 还是从洗衣机到智能手机的各种嵌入式应用系统. 目前一个几欧元的USB存储器就含有上亿个晶体管. 卡尔斯鲁厄理工学院开发的单原子晶体管未来可显著提高信息技术的能源效率, 希梅尔教授称, '有了这个量子电子元件, 能耗将低于传统硅技术电子元件一万倍' . 希梅尔教授是卡尔斯鲁厄理工学院单原子电子与光子研究中心主任, 被誉为单原子电子学先驱.
在《先进材料》杂志上刊登的论文里, 研究人员介绍了如何在只有单一金属原子宽度的缝隙间建立两个微小金属触点, 实现目前晶体管所能达到的最小极限. 希梅尔教授称, '我们在此缝隙通过电控脉冲移动单个银原子, 完成电路闭合; 当我们再将银原子移出缝隙, 电路被切断' , 由此实现世界上最小晶体管在接通电源情况下单个原子的受控可逆运动. 与传统量子电子元件不同, 单原子晶体管不需要在接近绝对零度的低温条件工作, 它可以一直在室温下工作, 这是未来应用的一个决定性优势.
为开发单原子晶体管, 卡尔斯鲁厄理工学院研究人员还开发了一套全新的工艺, 单原子晶体管完全由金属构成, 不含半导体材料. 其结果是所需电压极低, 因此能耗也极低. 研究人员之前制作单原子晶体管需要依靠液体电解质, 现在希梅尔教授及其团队首次应用固体电解质的工作原理, 通过水溶性银电解质凝胶与热解法二氧化硅凝胶电解质结合, 从而改善了安全性, 更便于单原子晶体管的处理.
