Elektronille vauhtia tyhjiössä ja nanolangalla

Viime vuosina tutkijat ovat kehittäneet nanomittakaavan tyhjiökanavatransistoreita (nanoscale vacuum channel transistors, NVCT). Niissä yhdistyy parhaat puolet tyhjöputkia ja moderneja puolijohteita samaan laitteeseen.

Perinteisiin transistoreihin verrattuna, NVCT:t ovat nopeampia ja kestävät korkeita lämpötiloja sekä säteilyä. Nämä ominaisuudet tekevät niistä sopivia syvän avaruuden ja korkean taajuuden laitteisiin sekä THz-elektroniikkaan. Ne ovat myös ehdolla jatkamaan Mooren lakia.

NASA Ames Research Centerin tutkijat ovat suunnitelleet piipohjaisen tyhjökanavatransistorin, jonka parannettu porttirakenne vähentää ohjausjännitettä kymmenistä volteista alle viiteen volttiin, mistä seuraa alhaisempi energian kulutus.

Vanhoissa tyhjiöputkissa elektronit kulkivat tyhjiössä, joten ne liikkuivat hyvin suurilla nopeuksilla, mikä johti nopeaan toimintaan. NVCT-komponentesissa ei itse asiassa ole tyhjiötä vaan elektronit kulkevat tilan poikki, joka on täytetty inertillä kaasulla.

Koska elektrodien välinen etäisyys on luokkaa 50 nm, todennäköisyys elektronin törmätä kaasumolekyyliin on hyvin alhainen, joten elektronit liikkuvat yhtä nopeasti kuin tyhjiössä.

IBM:n tutkijat ovat puolestaan ampuneet elektronin pitkin III-V puolijohteista nanolankaa, joka on integroitu piille. Tämä saavutus muodostaa perustan tulevaisuuden kvanttilankapiireille.

Elektronit ammutaan yhdestä kontaktielektrodista toiseen ja ne lentävät ballistisesti läpi nanolangan ilman siroamista. Näin nanolanka toimii täydellisenä putkena elektroneille siten, että elektronin täysi kvantti-informaatio (energia, liikemäärä, spin) voidaan siirtää ilman häviöitä.

Tutkijat näkevätkin saavutuksen osana yleistä kvanttitietokonetta, jossa kvanttijärjestelmä on täysin ballistinen. Lisäksi, yhdistämällä nanolankarakenteita suprajohteiden kanssa mahdollistaa topologisesti suojatun kvanttilaskennan, mikä mahdollistaa vikasietoisen laskennan.

Toteutuksessa käytettävällä tekniikalla on etuna myös täysi integroitavuus olemassa oleviin CMOS-prosesseihin ja teknologiaan.

Aiheesta aiemmin:

Pienin koskaan luotu transistori