2020年5月12日
一旦无法想象,晶体管组成的several-atom集群甚至单个原子承诺成为新一代的计算机的积木和无与伦比的内存和处理能力。但是意识到这些微小的晶体管的潜能——微型电开关——研究人员必须找到一种方法使许多这些臭名昭著的difficult-to-fabricate组件的副本。
现在,研究人员在国家标准与技术研究院(NIST)和他们的同事在马里兰大学已经开发出一种循序渐进的配方生产量子设备。使用这些指令,NIST-led团队已经成为世界上第二个构造一个单原子晶体管和第一个制造一系列的单电子晶体管atom-scale控制设备的几何。
科学家们证明,他们可以精确地调整单个电子的速度流经物理鸿沟或电气障碍在他们的晶体管——尽管经典物理学将禁止电子这样做,因为他们缺乏足够的能量。严格的量子现象,称为量子隧穿,才变得重要差距非常小,如微型晶体管。精确控制量子隧穿是关键,因为它使晶体管成为“纠缠”或相互关联的方式只能通过量子力学和打开新的可能性为创建量子位(量子比特),可用于量子计算。
单原子和few-atom晶体管,制作团队依赖于一个已知的技术在硅片表面覆盖了一层的氢原子,容易与硅结合。扫描穿隧显微镜然后删除提示的氢原子在指定网站。剩余的氢作为一个屏障,这样当团队定向磷化氢气体(PH3)在硅表面,个人的PH值3分子高度只有氢已被移除的地点(见动画)。研究人员然后加热硅表面。热喷射氢原子的PH值3,使留下的磷原子嵌入在表面。额外的处理,磷原子创建一系列的基础高度稳定的单一或few-atom设备有可能作为量子比特。
两个步骤的方法由NIST团队——密封防护层的磷原子硅,然后使电接触嵌入原子——似乎是必要的可靠地制造许多的副本自动精确的设备,NIST研究员Richard银说。
在过去,研究人员通常应用热硅层生长,为了消除缺陷,并确保所需的硅有纯净的晶体结构与传统的单原子设备集成芯片电气组件。但NIST的科学家发现,这种加热可以驱逐绑定磷原子和潜在破坏量子器件的结构。相反,团队第一几个硅层在室温下存放,使磷原子留在原地。只有当后续层沉积的团队加热。
应用层次的“我们相信我们的方法提供了更稳定和精确的量子设备”银说。甚至在单个原子的位置可以改变电气组件的电导率和其他属性,功能单一或小群的原子。
的团队也开发了一种新型技术的关键步骤与埋原子电接触,以便他们可以操作作为一个电路的一部分。NIST的科学家们轻轻加热一层硅表面的钯金属应用于特定区域的居住所选组件正上方silicon-embedded设备。激烈的钯与硅反应形成一个导电合金称为钯硅化物,这自然渗透通过硅和磷原子接触。
在最近的一个版本先进功能材料欧洲杯足球竞彩王,银和他的同事们,包括西樵,乔纳森•埃里克迈克尔·斯图尔特jr .)和Curt里克特,强调他们的联系方法有近100%的成功率。这是一个关键的成就,指出埃里克。“你可以拥有世界上最好的single-atom-transistor设备,但如果你不能接触它,它是无用的,”他说。
单原子晶体管制造”是一个困难的和复杂的过程,也许每个人都有他们的牙齿,但是我们提出的步骤,这样其他的团队没有进行反复试验,”里克特说。
相关工作发表在通信物理、银和他的同事们证明了他们可以精确地控制单个电子的隧道通过自动精确隧道壁垒单电子晶体管。美国国家标准与技术研究所的研究者和他们的同事们编造一系列的单电子晶体管都一模一样,除了隧道间隙的大小的差异。电流测量显示,通过增加或减少晶体管元件之间的差距不到一个纳米(一米的1000000000),该小组可以精确地控制流的单电子晶体管以可预测的方式。
“因为量子隧穿任何量子设备基础,包括量子比特的建设,能够控制一个电子的流动是一个重大成就”埃里克说。此外,作为工程师包越来越多电路的微型计算机芯片和组件之间的差距将继续缩小,理解和控制量子隧穿的影响将变得更加重要,Richter说。
来源:https://www.nist.gov/