Weltkleinster Transistor schaltet Strom mit einzelnem Atom

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Als weltweit kleinsten Transistor hat der Physiker Professor Thomas Schimmel mit seinem Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) den Einzelatom-Transistor entwickelt: ein quantenelektronisches Bauelement, das einen elektrischen Strom über das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms schaltet – mittlerweile auch im festen Zustand in einem Gel- Elektrolyten.
Als weltweit kleinsten Transistor hat der Physiker Professor Thomas Schimmel mit seinem Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) den Einzelatom-Transistor entwickelt: ein quantenelektronisches Bauelement, das einen elektrischen Strom über das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms schaltet – mittlerweile auch im festen Zustand in einem Gel- Elektrolyten. (Bild: KIT)

Wissenschaftler des KIT haben einen Einzelatom-Transistor entwickelt. der einen elektrischen Strom über das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms schalten kann. Der weltkleinste Transistor arbeitet bei Raumtemperatur, verbraucht extrem wenig Energie – und kommt ganz ohne Halbleiter aus.

Der Transistor ist seit jeher das zentrales Element der digitalen Datenverarbeitung: Die Leistung von Prozessoren ist davon abhängig, wie viele Transistoren auf einem einzelnen Chip untergebracht werden können. Dabei kommt es nicht nur auf High-End-CPUs in PCs an, denn immer stärkere Prozessoren müssen auf immer weniger Platz untergebracht werden – treiben die Bausteine heute doch nicht nur Rechner, sondern in eingebetteten Systemen für viele Anwendungen vom Smartphone und intelligenten Kameras über Haushaltsgeräte wie Geschirrspül- und Waschmaschinen bis hin zu Flug- und Fahrzeugen an. Schon auf einem aktuell für wenige Euro erhältlichen USB-Speicherstick befinden sich bereits mehrere Milliarden Transistoren. Der Bedarf, immer mehr Transistoren auf immer weniger Platz unterzubringen, steigt.

Der von Professor Thomas Schimmel und seinem Team am Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT entwickelte Einzelatom-Transistor könnte künftig erheblich zur Energieeffizienz in der Informationstechnologie beitragen: „Mit diesem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um einen Faktor 10 000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen“, sagt der Physiker und Nanotechnologie-Experte Schimmel, der am APH, am Institut für Nanotechnologie (INT) und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT forscht.

Seit diesem Jahr ist Professor Schimmel, der als Pionier der Einzelatom-Elektronik gilt, zudem Co-Direktor des Center for Single Atom Electronics and Photonics, eines gemeinsamen Zentrums des KIT und der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich.

Die Grenze des physikalisch Möglichen erreicht

In der Zeitschrift Advanced Materials präsentieren die Karlsruher Forscher den Transistor, der die Grenze der Miniaturisierung erreicht. Die Wissenschaftler haben dafür zwei winzige Metallkontakte gefertigt, zwischen denen eine Lücke in der Breite eines einzigen Metallatoms besteht. „Über einen elektrischen Steuerimpuls schieben wir ein einziges Silberatom in diese Lücke – der Stromkreis ist geschlossen“, erklärt Professor Thomas Schimmel. „Schieben wir das Silberatom wieder heraus, ist der Stromkreis unterbrochen.“

Der kleinste Transistor der Welt schaltet Strom somit über die kontrollierte reversible Bewegung eines einzigen Atoms. Anders als konventionelle quantenelektronische Bauteile funktioniert der Einzelatom-Transistor allerdings nicht erst bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Er arbeitet bereits bei Raumtemperatur – ein entscheidender Vorteil für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.

Ein Transistor ohne Halbleiter

Mit dem Einzelatom-Transistor haben die Forscher am KIT einen technologisch völlig neuen Ansatz verwirklicht: Der Transistor besteht ausschließlich aus Metall und kommt ohne Halbleiter aus. Die Folge sind extrem niedrige elektrische Spannungen und damit ein extrem niedriger Energieverbrauch. Bisher war der Karlsruher Einzelatom-Transistor auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen.

Nun hat Thomas Schimmel mit seinem Team erstmals einen Transistor hergestellt, der in einem festen Elektrolyten funktioniert: Der durch Gelieren eines wässrigen Silberelektrolyten mit pyrogenem Siliziumdioxid entstandene Gel-Elektrolyt verbindet die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und verbessert damit sowohl die Sicherheit als auch die Handhabung des Einzelatom-Transistors.

Der Abstract zu der in Advanced Materials veröffentlichten Studie kann hier online eingesehen werden: Quasi‐Solid‐State Single‐Atom Transistors.

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posted am 17.08.2018 um 17:26 von m2b


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