Dennis L.
Physiker am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben einen Einzelatom-Transistor entwickelt, ein quantenelektronisches Bauelement, welches einen elektrischen Strom durch kontrollierte Verschiebung eines einzelnen Atoms schalten kann.
Karlsruhe (Deutschland). Bei einem klassischen Transistor handelt es sich um ein elektronisches Halbleiter-Bauteil, mit dem meist niedrige elektrische Spannungen und Ströme gesteuert oder verstärkt werden können. Moderne Transistoren finden sich in nahezu allen elektrischen Geräten wie zum Beispiel in Mobiltelefonen oder Computern.
Professor Thomas Schimmel und seine Kollegen vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben erkannt, wie wichtig die Verkleinerung von Transistoren ist und daher den kleinsten Transistor der Welt entwickelt, welcher durch das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms in der Lage ist, Strom zu schalten. Mit diesem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um einen Faktor 10.000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen.
Die Informationstechnologie sowie die Digitalisierung im Allgemeinen spart auf der einen Seite viel Energie, auf der anderen Seite ist sie aktuell dennoch für etwas mehr als zehn Prozent des Energieverbrauchs in den Industrieländern verantwortlich. Ein elementares und zentrales Bauteil des digitalen Wandels ist der Transistor, der in nahezu jedem Computerprozessor und jedem Speicherchip milliardenfach vorhanden ist. Den Energiebedarf bereits bei den kleinsten Bauteilen anzupassen, wird in der großen Masse zu einer erheblichen Ersparnis führen.
Der neu entwickelte Einzelatom-Transistor könnte wesentlich zur Energieeffizienz in diesem Sektor beitragen. Professor Thomas Schimmel, der Direktor des Center for Single-Atom Technologies, C.SAT, am KIT und Co-Direktor des Center for Single Atom Electronics and Photonics, eines von der Werner Siemens Stiftung geförderten gemeinsamen Zentrums des KIT und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, Schweiz ist, und seine Kollegen haben die Funktionsweise im Detail im wissenschaftlichen Fachmagazin Advanced Materials veröffentlicht.
Auf der Suche nach einer energieeffizienteren Lösung haben Professor Thomas Schimmel und sein Team einen technologisch völlig neuen Ansatz gewählt. Der neue Transistor besteht ausschließlich aus Metall und kommt daher völlig ohne Halbleiter aus. Zur Folge hat dies extrem niedrige Spannungen und damit einen drastisch reduzierten Energieverbrauch.
Erste Entwicklungen des kleinsten Transistors der Welt am Karlsruher Institut für Technologie basierten auf flüssigen Elektrolyten. Nun haben Professor Thomas Schimmel und sein Team diese Version weiter verbessert und erstmals einen Transistor entwickelt, der mit festen Bestandteilen funktioniert: Der durch Gelierung eines wässrigen Silberelektrolyten mit pyrogener Kieselsäure hergestellte Gelelektrolyt verbindet die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit.
Zu diesem Zweck stellten die Wissenschaftler zwei winzige Metallkontakte her, zwischen denen eine Lücke von der Breite eines einzelnen Silberatoms klafft. Über einen elektrischen Steuerimpuls kann ein einzelnes Silberatom verschoben werden und so den Schaltkreis schließen.
Der kleinste Transistor der Welt schaltet Strom durch die kontrollierte reversible Bewegung eines einzelnen Atoms. Im Gegensatz zu herkömmlichen quantenelektronischen Bauelementen arbeitet der Einzelatom-Transistor jedoch bei Raumtemperatur, was ein entscheidender Vorteil für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten ist.
Advanced Materials; doi: 10.1002/adma.201801225
