最小的晶体管在固体电解质中用单个原子切换电流

在卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)，物理学家Thomas Schimmel教授及其团队开发出了世界上最小的单原子晶体管。该量子电子元件通过控制单个原子的重新定位来切换电流，现在也在凝胶电解质中处于固态。单原子晶体管在室温下工作，消耗的能量非常少，这为信息技术开辟了全新的视角。晶体管在Advanced Materials中展示。

数字化导致高能耗。在工业化国家，信息技术目前占总功耗的比例超过10%。晶体管是计算中心，PC，智能手机或嵌入式系统中数字数据处理的核心元素，适用于从洗衣机到飞机的许多应用。市售的低成本USB记忆棒已经包含数十亿个晶体管。将来，KIT教授应用物理研究所(APH)的Thomas Schimmel教授及其团队开发的单原子晶体管可以大大提高信息技术的能效。“这种量子电子元件使开关能量比传统硅技术的能量小10,000倍，” 物理学家和纳米技术专家Schimmel说，他在APH，纳米技术研究所(INT)和KIT能源系统材料研究中心(MZE)进行研究。今年早些时候，Schimmel教授被认为是单原子电子学的先驱，他被任命为KIT和苏黎世联邦理工学院联合成立的单原子电子和光子学中心的联合主任。

在Advanced Materials中，KIT研究人员展示了达到小型化极限的晶体管。科学家们制作了两分钟的金属接触。在它们之间，存在与单个金属原子一样宽的间隙。“通过电控脉冲，我们将一个银原子放入这个间隙并关闭电路，”Thomas Schimmel教授解释道。“当再次移除银原子时，电路会中断。” 世界上最小的晶体管通过单个原子的受控可逆运动来切换电流。与传统的量子电子元件相反，单原子晶体管不仅在接近绝对零度即-273℃的极低温度下工作，而且已经在室温下工作。这是未来应用的一大优势。

单原子晶体管基于全新的技术方法。晶体管完全由金属组成，不使用半导体。这导致极低的电压，因此能量消耗极低。到目前为止，KIT的单原子晶体管已经应用了液体电解质。现在，Thomas Schimmel和他的团队设计了一种可在固体电解质中工作的晶体管。通过用热解二氧化硅胶凝含水银电解质而产生的凝胶电解质结合了固体的优点和液体的电化学性质。这样，改善了单原子晶体管的安全性和操作性。