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
