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Quanteneffekte: Neuer Bauplan für Ein-Atom-Transistoren

Das wichtigste Bauelement eines Computers - so klein, dass die Quantenphysik das Ruder übernimmt. Wie man mit nur einem Atom Strom lenkt, haben Forscher nun im Labor demonstriert.
Atome und Computer

Seit Jahrzehnten forschen Chiphersteller daran, wie man immer kleinere Transistoren herstellen kann. Die An-/Ausschalter sind das zentrale Element eines Computerchips. Je kleiner man sie macht, desto mehr von ihnen bringt man unter und desto leistungsfähiger ist der Computer. Am unteren Ende der Größenskala winkt allerdings mehr als nur Leistungssteigerung: Schrumpft das Bauteil unter eine gewisse Grenze, dominieren Quanteneffekte das Geschehen. Und mit diesen lässt sich womöglich eines Tages ein alltagstauglicher Quantencomputer bauen.

Wie man zuverlässige Transistoren herstellt, deren zentrales Element nur aus einem einzigen Atom besteht, schildern nun Forscher um Richard Silver vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology im Fachblatt »Nature Communications«. Sie nutzen dazu das regelmäßige Atomgitter einer Siliziumoberfläche, um Phosphoratome so anzuordnen, dass zwischen ihnen Lücken genau definierter Länge entstehen. Legt man an das Konstrukt eine Spannung an, können immer wieder einzelne Elektronen von Phosphoratom zu Phosphoratom springen, so dass zwischen ihnen Strom fließt.

Entscheidend dabei ist, dass die Elektronen nur dank des quantenphysikalischen Effekts des Tunnelns den Sprung schaffen. Sie überwinden dabei eine Barriere, die sie eigentlich nicht überwinden können. Indem sie die Lücken zwischen den Atomen um wenige Nanometer veränderten, konnten Silver und Team die Tunneleigenschaften des Transistors gezielt manipulieren.

© S. Kelley/NIST
So wird der Ein-Atom-Transistor hergestellt

Noch handelt es sich bei der Untersuchung um reine Grundlagenforschung. Eine konkrete Anwendung haben die Forscher nicht vor Augen. Aber: Da der Transistor streng nach quantenphysikalischen Prinzipien arbeitet, könnte man mit ihm auch weitere Quanteneffekte ausnutzen – wie zum Beispiel die Verschränkung, die in aller Regel zum Bau von Qubits erforderlich ist. Qubits oder Quantenbits bilden die Grundlage eines jeden Quantencomputers und lassen sich technisch auf unterschiedlichste Art und Weise realisieren. Wie man dabei am besten vorgeht, ist noch weit gehend offen.

Silver und Kollegen preisen die Zuverlässigkeit ihres Herstellungsverfahrens. Die Fabrikation von Ein-Atom-Transistoren sei ein »schwieriger und komplexer Prozess, mit dem jeder seine eigenen Erfahrungen sammeln muss. Aber wir haben jetzt einmal aufgeschrieben, welche Schritte nötig sind, damit andere Teams nicht mehr nach Trial-and-Error-Methode vorgehen müssen«, sagt Silvers Koautor Curt Richter in einer Pressemitteilung der US-Behörde NIST.

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