14.08.2018

Der weltkleinste Transistor

Einzelatom-Transistor besteht nur aus Metall und kommt ohne Halbleiter aus.

Als weltweit kleinsten Tran­sistor hat der Physiker Thomas Schimmel mit seinem Team am Karlsruher Institut für Techno­logie KIT den Einzel­atom-Transistor entwickelt. Das quanten­elektronische Bauelement schaltet einen elek­trischen Strom über das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms – nun auch im festen Zustand in einem Gel-Elek­trolyten. Der Einzelatom-Tran­sistor arbeitet bei Raum­temperatur und verbraucht extrem wenig Energie, was ganz neue Perspektiven für die Informations­technologie eröffnet.

Abb.: Die Grenze der Miniaturisierung erreicht der Einzelatom-Transistor, der in einem Gel-Elektrolyten funktioniert. (Bild: AG Schimmel, KIT)

Der 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 Schimmel. Mit ihrem Prototyp erreichen die Karlsruher Forscher die Grenze der Minia­turisierung. 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 Schimmel. „Schieben wir das Silberatom wieder heraus, ist der Stromkreis unter­brochen.“ Der Transistor 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, sondern bereits bei Raum­temperatur – ein ent­scheidender Vorteil für zukünftige Anwen­dungen.

Mit dem Einzelatom-Tran­sistor haben die Forscher 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 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.

KIT / JOL

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