Una vez inimaginables, los transistores que consisten solo en grupos de varios átomos o incluso átomos individuales prometen convertirse en los bloques de construcción de una nueva generación de computadoras con memoria y potencia de procesamiento incomparables. Pero para aprovechar todo el potencial de estos pequeños transistores: miniatura eléctricaInterruptores de encendido y apagado: los investigadores deben encontrar la manera de hacer muchas copias de estos componentes notoriamente difíciles de fabricar.
Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y sus colegas de la Universidad de Maryland han desarrollado una receta paso a paso para producir dispositivos a escala atómica. Utilizando estas instrucciones, el equipo dirigido por el NISTse ha convertido en el segundo en el mundo en construir un transistor de un solo átomo y el primero en fabricar una serie de transistores de un solo electrón con control a escala atómica sobre la geometría de los dispositivos.
Los científicos demostraron que podían ajustar con precisión la velocidad a la que los electrones individuales fluyen a través de una brecha física o barrera eléctrica en su transistor, a pesar de que la física clásica les prohibiría hacerlo porque carecen de suficiente energía. Ese fenómeno estrictamente cuántico, conocido como túnel cuántico, solo se vuelve importante cuando los espacios son extremadamente pequeños, como en los transistores en miniatura. El control preciso sobre el túnel cuántico es clave porque permite que los transistores se "enreden" o entrelacen de una manera que solo es posible a través de la mecánica cuántica yabre nuevas posibilidades para crear bits cuánticos qubits que podrían usarse en la computación cuántica.
Para fabricar transistores de un solo átomo y de pocos átomos, el equipo se basó en una técnica conocida en la que un chip de silicio se cubre con una capa de átomos de hidrógeno, que se une fácilmente al silicio. Luego se extrajo la punta fina de un microscopio de túnel de barrido.átomos de hidrógeno en sitios seleccionados. El hidrógeno restante actuó como una barrera, de modo que cuando el equipo dirigió el gas fosfina PH 3 en la superficie de silicio, PH individual 3 moléculas unidas solo a los lugares donde se había eliminado el hidrógeno ver animación. Luego, los investigadores calentaron la superficie de silicio. El calor expulsó átomos de hidrógeno del PH 3 y provocó que el átomo de fósforo que quedaba se incrustara en la superficie. Con el procesamiento adicional, los átomos de fósforo unidos crearon la base de una serie de dispositivos de un solo átomo o pocos átomos altamente estables que tienen el potencial de servir como qubits.
Dos de los pasos del método ideado por los equipos del NIST: sellar los átomos de fósforo con capas protectoras de silicio y luego hacer contacto eléctrico con los átomos incrustados parecen haber sido esenciales para fabricar de manera confiable muchas copias de dispositivos atómicamente precisos, Dijo el investigador del NIST Richard Silver.
En el pasado, los investigadores generalmente aplicaban calor a medida que crecían todas las capas de silicio, para eliminar defectos y garantizar que el silicio tenga la estructura cristalina pura necesaria para integrar los dispositivos de un solo átomo con componentes eléctricos convencionales con chips de silicio.Pero los científicos del NIST descubrieron que dicho calentamiento podría desalojar los átomos de fósforo unidos y potencialmente alterar la estructura de los dispositivos de escala atómica. En cambio, el equipo depositó las primeras capas de silicio a temperatura ambiente, permitiendo que los átomos de fósforo permanezcan en su lugar. Solo cuandolas capas posteriores se depositaron si el equipo aplicó calor.
"Creemos que nuestro método de aplicar las capas proporciona dispositivos de escala atómica más estables y precisos", dijo Silver. Tener incluso un solo átomo fuera de lugar puede alterar la conductividad y otras propiedades de los componentes eléctricos que presentan grupos individuales o pequeños grupos deátomos
El equipo también desarrolló una técnica novedosa para el paso crucial de hacer contacto eléctrico con los átomos enterrados para que puedan operar como parte de un circuito. Los científicos del NIST calentaron suavemente una capa de metal de paladio aplicado a regiones específicas en la superficie del silicioque residía directamente encima de los componentes seleccionados del dispositivo embebido en silicio. El paladio calentado reaccionó con el silicio para formar una aleación eléctricamente conductora llamada siliciuro de paladio, que naturalmente penetró a través del silicio y entró en contacto con los átomos de fósforo.
en una edición reciente de Materiales funcionales avanzados Silver y sus colegas, que incluyen a Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. y Curt Richter, enfatizaron que su método de contacto tiene una tasa de éxito de casi el 100%. Ese es un logro clave, señaló Wyrick. "es el mejor dispositivo de transistor de átomo único del mundo, pero si no puede hacer contacto con él, es inútil ", dijo.
La fabricación de transistores de un solo átomo "es un proceso difícil y complicado en el que tal vez todos deben cortar los dientes, pero hemos establecido los pasos para que otros equipos no tengan que proceder por ensayo y error", dijo Richter.
En un trabajo relacionado publicado hoy en Communications Physics, Silver y sus colegas demostraron que podían controlar con precisión la velocidad a la que los electrones individuales hacen un túnel a través de barreras de túnel atómicamente precisas en transistores de un solo electrón. Los investigadores del NIST y sus colegas fabricaron una serie de-Transistores de electrones idénticos en todos los sentidos, excepto por las diferencias en el tamaño de la brecha de túnel. Las mediciones del flujo de corriente indicaron que al aumentar o disminuir la brecha entre los componentes del transistor en menos de un nanómetro billonésima parte de un metro, el equipo podía controlar con precisiónel flujo de un solo electrón a través del transistor de manera predecible
"Debido a que el túnel cuántico es tan fundamental para cualquier dispositivo cuántico, incluida la construcción de qubits, la capacidad de controlar el flujo de un electrón a la vez es un logro significativo", dijo Wyrick. Además, a medida que los ingenieros empacan cada vez máslos circuitos en un pequeño chip de computadora y la brecha entre los componentes continúa disminuyendo, la comprensión y el control de los efectos del túnel cuántico se volverán aún más críticos, dijo Richter.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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