由凝胶电解质中的单个原子制成的最小晶体管

作者：Jean-Jacques DeLisle，特约撰稿人

卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的一个研究小组声称，这是可以用固体电解质中的单个原子切换电源的最小晶体管。晶体管是我们日常生活中使用的几乎所有电子产品的基本组件。从收音机和电视到智能手机和电脑，一切都包含晶体管。从本质上讲，晶体管的功能很简单。它是一种可以根据其三个端子与电路的连接方式来切换或放大电信号的设备。

晶体管有多种类型，但大多数情况下，它们是在半导体晶片上制造的。过去，大多数半导体都是由纯化的硅或锗制成的，但最近，由 KIT 的 Thomas Schimmel 教授领导的一个团队一直在试验电解质和其他材料，以使晶体管小型化，使其仅通过单个原子。该团队已经能够控制悬浮在凝胶电解质中的单个银原子的位移，从而使他们能够切换电流。

过去，量子电子设备有极端的操作限制。其中许多需要极低的温度和大量的能量才能发挥作用，但新晶体管并非如此。在 KIT 中创建的晶体管在室温下运行，并且能量相对较少，这意味着它可以用于降低各种设备的能耗。显着降低的能源成本可能会对数据的传输方式产生巨大影响。

研究人员指出，信息技术消耗了发达国家生产的能源的 10%。通过使晶体管非常小并将功能限制为单个原子的位移，研究人员认为，单原子晶体管“可能对未来信息技术的能源效率做出重大贡献”。

“这种量子电子元件可以实现开关能量，比传统硅技术低 10,000 倍，”在 APH、纳米技术研究所 (INT) 和材料研究所进行研究的物理学家和纳米技术专家 Schimmel 说KIT 的能源系统科学中心 (MZE)。Schimmel 被认为是单原子电子学的先驱，也是单原子电子学和光子学中心的联合主任。

新晶体管的创造者在 Advanced Materials 杂志上解释了它的功能。为了制造晶体管，两个极小的金属触点悬浮在凝胶电解质中。触点靠得很近，它们之间只有一个原子的宽度。银原子也悬浮在电解质中。通过置换这个原子，电流被切换。“通过电控制脉冲，我们将单个银原子推入这个间隙——电路闭合，”Schimmel 说。“如果我们再把银原子推出去，电路就会中断。”

通过利用这个看似简单的原理，Schimmel 能够制造出最小规模的晶体管，使晶体管能够通过单个原子的可逆运动来切换电流。

为了开发单原子晶体管，研究人员对晶体管采取了完全不同的技术方法。通过完全用金属构建单原子晶体管，并且没有半导体，它的开发人员设法制造了一种可以在极低电压下工作的晶体管，因此在其运行中消耗的能量非常少。

一段时间以来，单原子晶体管只能在悬浮在液体电解质中时才能发挥作用，这使得它不切实际，但 KIT 的 Schimmel 团队首次开发了一种在固体电解质中工作的晶体管。通过制造凝胶电解质，他们能够通过将液体电解质的电特性与固体电解质更理想的物理特性相结合，实现两全其美。

“与传统的量子电子元件相反，单原子晶体管不仅可以在接近绝对零的极低温度（即 –273°C）下工作，而且已经在室温下工作，”Schimmel 说。“这对未来的应用来说是一个很大的优势。”

单原子晶体管是真正的新事物，可能是迄今为止创造的量子电子学最实用的例子之一。随着更紧凑和更高性能的组件的开发，电子产品随着时间的推移变得越来越小。微型化技术过程的最终结果是创造出单原子电子元件。然而，该设备的当前状态远不是一个原子大小。尽管它通过单个原子的运动发挥作用，但它只是一个概念证明，该技术可能需要几年时间才能为主流使用做好准备。

审核编辑 黄昊宇