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Winziger Schalter: Ein Transistor aus nur einem Atom

Transistoren sind das zentrale Bauelement eines jeden Computerchips. Je kleiner sie sind, desto besser. Nun haben Forscher die Miniaturisierung ins Extrem getrieben.
Einzelatom-Transistor im Labor

Ein Transistor ist das zentrale Bauteil der Schaltung auf einem Mikrochip – Milliarden davon finden sich auf handelsüblichen Prozessoren. Stellt man sich die Leiterbahnen als Straßen vor, besteht ihre Aufgabe darin, wie Bahnschranken den Stromfluss auf einer dieser Straßen zu blockieren oder weiterzuleiten. Das, so zeigen nun Wissenschaftler vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), funktioniert auch mit nur einem einzelnen Atom als Schranke.

Wie die Wissenschaftler um Thomas Schimmel im Fachblatt »Advanced Materials« erläutern, nutzen sie dafür ein einzelnes Silberatom, das sie mit einem elektrischen Steuerimpuls zwischen zwei winzige Kontakte bugsieren. Steckt das Atom zwischen den Kontakten, kann ein Strom fließen. Entfernt man es wieder daraus, bleibt eine Lücke – und der Stromfluss ist unterbrochen.

In seinem Fachbeitrag beschreibt das Wissenschaftlerteam nun eine Weiterentwicklung dieses Systems, bei dem das einzelne Atom in einem Gel-Elektrolyten manipuliert wird. Ein Gel verbinde die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und verbessere damit sowohl die Sicherheit als auch die Handhabung des Einzelatom-Transistors, erläutert das KIT in einer Mitteilung.

Der Einzelatom-Transistor, bei dem auf Grund der geringen Größe bereits Quanteneffekte eine entscheidende Rolle spielen, soll 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.

Silizium, das die Grundlage für die meisten derzeitigen Transistoren bildet, ist ein Halbleitermaterial. Das bedeutet, dass es seine Leitfähigkeit verändert, je nachdem ob eine Spannung angelegt ist oder nicht. Leider kann es unter ungünstigen Umständen selbst dann Strom weiterleiten, wenn keine solche Spannung angelegt ist – vor allem dann, wenn man versucht, den Transistor immer weiter zu verkleinern. Im Gegenzug muss, sinnbildlich gesprochen, die Schranke erhöht werden, was sich negativ auf den Energieverbrauch auswirkt. Mit Forschungsprojekten wie dem am Einzelatom-Transistor wollen Wissenschaftler eine Technologie entwickeln, die das Silizium eines Tages beerben wird.

Ob sich der silberbasierte Transistor von Schimmel und Team als Siliziumnachfolger erweisen wird, ist offen. Die Wissenschaftler stellen heraus, dass er anders als konventionelle quantenelektronische Bauteile nicht erst bei extrem tiefen Temperaturen funktioniert. Er arbeite bereits bei Raumtemperatur, was ein entscheidender Vorteil für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten sei.

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