Una vez inimaginable Los transistores que constan solo de grupos de varios átomos o incluso átomos únicos prometen convertirse en los componentes básicos de una nueva generación de computadoras con una memoria y una potencia de procesamiento incomparables. Pero para aprovechar todo el potencial de estos pequeños transistores, interruptores eléctricos de encendido y apagado en miniatura, 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 los dispositivos a escala atómica. Usando estas instrucciones, El equipo dirigido por el NIST se 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 de átomo 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 una barrera eléctrica en su transistor, aunque la física clásica prohibiría que los electrones lo hicieran porque carecen de energía suficiente. 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 la tunelización cuántica es clave porque permite que los transistores se "enreden" o se interconecten de una manera que solo es posible a través de la mecánica cuántica y abre nuevas posibilidades para crear bits cuánticos (qubits) que podrían usarse en 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 unen fácilmente al silicio. Luego, la punta fina de un microscopio de efecto túnel eliminó los átomos de hidrógeno en sitios seleccionados. El hidrógeno restante actuó como barrera para que cuando el equipo dirigiera gas fosfina (PH ₃ ) en la superficie del silicio, PH individual ₃ moléculas adheridas 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 e hizo que el átomo de fósforo que quedaba se incrustara en la superficie. Con procesamiento adicional, Los átomos de fósforo unidos crearon la base de una serie de dispositivos de uno 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. El investigador del NIST, Richard Silver, dijo.

En el pasado, Los investigadores normalmente han aplicado calor a medida que crecen todas las capas de silicio, para eliminar defectos y asegurar que el silicio tenga la estructura cristalina pura requerida para integrar los dispositivos de un solo átomo con componentes eléctricos de chip de silicio convencionales. Pero los científicos del NIST encontraron que tal calentamiento podría desalojar los átomos de fósforo unidos y potencialmente alterar la estructura de los dispositivos de escala atómica. En lugar de, el equipo depositó las primeras capas de silicio a temperatura ambiente, permitiendo que los átomos de fósforo se queden quietos. Solo cuando se depositaron las capas posteriores, el equipo aplicó calor.

"Creemos que nuestro método de aplicar las capas proporciona dispositivos a 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 únicos o pequeños de átomos.

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 paladio metálico aplicada a regiones específicas de la superficie de silicio que residía directamente sobre los componentes seleccionados del dispositivo incrustado en silicio. El paladio calentado reaccionó con el silicio para formar una aleación conductora de electricidad 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, enfatizó que su método de contacto tiene una tasa de éxito de casi el 100%. Ese es un logro clave, señaló Wyrick. "Puede tener el mejor dispositivo de transistor de átomo único del mundo, pero si no puedes hacer contacto con él, es inutil, " él dijo.

Fabricar transistores de un solo átomo "es un proceso difícil y complicado en el que tal vez todo el mundo tenga que empezar a trabajar, 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 Física de las comunicaciones , Silver y sus colegas demostraron que podían controlar con precisión la velocidad a la que los electrones individuales atraviesan barreras de túnel atómicamente precisas en transistores de un solo electrón. Los investigadores del NIST y sus colegas fabricaron una serie de transistores de un solo electrón 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 (mil millonésima parte de un metro), el equipo pudo controlar con precisión el flujo de un solo electrón a través del transistor de una manera predecible.

"Debido a que el túnel cuántico es tan fundamental para cualquier dispositivo cuántico, incluyendo 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 empaquetan cada vez más circuitos en un pequeño chip de computadora y la brecha entre los componentes continúa reduciéndose, comprender y controlar los efectos de la tunelización cuántica será aún más crítico, Richter dijo.