对单原子晶体管的新研究

发布日期：2020年5月14日

仅由几个原子甚至单个原子组成的晶体管如今有望成为具有无与伦比存储和处理能力的新一代计算机的基础。要实现这些微型晶体管（微型电子开关）的全部潜能，研究人员必须找到一种方法来大量复制这些极难制造的组件。

美国国家标准与技术研究院（NIST）与马里兰大学的研究人员合作，已逐步研发出生产原子级器件的方法。这个由NIST带领的研究小组已成为全球第二个制造单原子晶体管的团队，同时是首个制造出一系列对器件几何尺寸进行原子级控制的单电子晶体管的团队。

研究人员展示了他们可以精确调整单个电子通过晶体管中物理间隙或电势垒的速率。这种量子现象（称为量子隧穿）仅在间隙极小的时候（例如在微型晶体管中）才变得十分关键。精确控制量子隧穿非常重要，因为它使晶体管能够以量子力学方式实现“纠缠”或互连，并为创建可用于量子计算的量子比特（qubit）开辟了新的可能性。

图：NIST研发的制造单原子晶体管方法示意图

该研究成果发表在最新一期的《先进功能性材料》杂志中，研究人员认为，这是一项极其重要的成果。制造单原子晶体管是一个困难而复杂的过程，现在NIST已经走出了关键一步，并获得宝贵经验，其他研究团队也能避免不必要的重复试验和失误。

研究人员证明了他们可以精确控制单个电子穿过单电子晶体管中原子级隧道势垒的速率。他们制造了一系列除了隧穿间隙大小不同但其它方面完全一样的单电子晶体管。电流测量显示，通过将晶体管组件之间的间隙增加或减少不到1纳米（十亿分之一米），就能以可预测的方式精确控制单个电子通过晶体管。

由于量子隧穿对构造量子比特等所有量子器件而言都至关重要，因此控制单次通过单个电子的能力是一项重大成就。此外，随着微型计算机芯片上安装的电路日益增多且组件之间的间隙不断缩小，理解和控制量子隧穿的影响将变得更加重要。

（译：车薇娜 / 图：NIST）

原文源自美国国家标准与技术研究院（NIST）网站，版权归NIST所有，如需转载，请注明出处。