2018-08-21
德国卡尔斯鲁厄理工学院一个研究团队开发了仅有一个原子组成的量子晶体管，而且能够在室温下运行......电子制作模块
德国卡尔斯鲁厄理工学院一个研究团队开发了仅有一个原子组成的量子晶体管，而且能够在室温下运行。这项成果已被刊登在《先进材料》杂志上。
这一研究开启了计算能力和效率的新篇章。控制电子信号传输的晶体管是现代电子产品的基础。在逾半个世纪以来，晶体管尺寸和能耗的稳步降低，一直是推动计算能力增长的基本动力。
新型晶体管依靠移动一个银原子开启或关闭电路。材料科学新闻网站Nanowerk称这种晶体管是世界上最小的晶体管。更重要的是，新型晶体管被描述为“量子开关”，这意味着它可以比目前的晶体管携带更复杂的信息。
德国研究团队最值得关注的声明是，新型晶体管可以在室温下运行，目前大多数量子计算机只能在超低温环境下运行，提高了运行成本和维护难度。
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。
据研究人员称，他们的研究可能对计算技术的未来产生重大影响，尤其是在能源使用效率方面。研究团队负责人、单原子电子和光子学中心联合主任托马斯.舒梅尔(Thomas Schimmel)说，新型晶体管的能耗仅相当于当前硅技术的“万分之一”。
与量子计算领域的大多数研究一样，这一新技术要应用在实用计算机中尚需要数年时间。新型晶体管使用金属而非半导体材料，意味着它不能方便地整合在传统计算架构中。