Kytkentöjä atomilla ja molekyylillä

Karlsruhe Institute of Technologyn (KIT) professori Thomas Schimmelin ja hänen tiiminsä ovat kehittäneet yhden atomin transistorin. Tämä kvanttielektroniikan komponentti kytkee sähkövirtaa yksittäisen atomin hallitulla sijoittelulla kahden elektrodin väliin.

Yksiatomi-transistori toimii huoneenlämmössä ja kuluttaa hyvin vähän energiaa, mikä avaa täysin uusia näkökulmia tietotekniikkaan.

Tulevaisuudessa Schimmelin ja hänen ryhmänsä kehittämä yksiatomi-transistori voisi merkittävästi parantaa tietotekniikan energiatehokkuutta. "Tämä kvanttielektroniikan elementti mahdollistaa perinteisten pii-teknologioita 10 000 kertaa pienemmät energiakäytön kytkimet, toteaa fysiikan ja nanoteknologian asiantuntija Schimmel.

Tutkijat rakensivat kaksi metallikontaktia, joiden välinen fyysinen rako on yhtä leveä kuin yksittäinen metalliatomi. "Sähköisellä ohjauspulssilla sijoitamme yksittäisen hopea-atomin tähän rakoon ja suljemme virtapiirin", professori Thomas Schimmel selittää. "Kun hopea-atomi poistetaan, piiri katkeaa."

Yksiatominen transistori perustuu täysin uuteen tekniseen lähestymistapaan. Transistori koostuu pelkästään metallista. Koska siinä ei ole puolijohteen tapaan energiarakoa sitä voi käyttää erittäin pienillä jännitteillä, mikä johtaa erittäin alhaiseen energiankulutukseen. Kokeissa käytettiin lähde-nielu virtoja, jotka vaihtelevat välillä 1-8 mikroampeeria.

Tähän asti KIT:n yksiatomi-transistoria on sovellettu nestemäisessä elektrolyytissä mutta jatkossa se toiminee kiinteässä elektrolyytissä.

Technical University of Denmarkin (DTU) johtamana eurooppalainen Graphene Flagship tutkijaorganisaatio on puolestaan löytänyt erikoisen mekanismin elektronisten ominaisuuksien hallitsemiseksi molekyylien avulla.

Boorinitridillä kapseloidun grafeenin reunaan kiinnitettyjen polaaristen molekyylien ferrosähköinen järjestys voidaan vaihtaa sähköstaattisella portilla ja sitä voidaan käyttää muistilaitteille ja antureille.

Tavanomaiset liitokset eivät ole tarpeeksi pieniä yksittäisten molekyylien siltaamiseksi. Jose Caridad Tanskan teknillisestä korkeakoulusta keksi käyttää jotain, joka on jo atomisen pieni ansoittamaan molekyylejä: grafeenin 0,3 nanometrin levyinen reuna.

Grafeenireuna toimi veden ja hapen vaikutuksesta herkkänä polaaristen molekyylien alustana. Molekyylejä voitiin ohjata sähkökentällä kahteen tilaan aivan kuten vaihtokytkin. Tämä muuttaa radikaalisti grafeenikerroksen elektronijakaumaa ja siten laitteen resistanssia ja kapasitanssia.

"Meillä on uusi alusta ns. memristive- ja memcapacitive-laitteille – nanoskaalan laitteita, joiden tilaa voidaan vaihtaa ja se muistaa ne", toteaa Jose Caridad, joka alun perin löysi vaikutuksen ja ohjasi projektia.