Одноатомные транзисторы могут дать невероятные возможности квантовым компьютерам

Связывание нескольких копий этих устройств может заложить основу для квантовых вычислений. Будучи невообразимыми, транзисторы, состоящие только из нескольких атомных кластеров или даже отдельных атомов, обещают стать строительными блоками компьютеров нового поколения с беспрецедентной памятью и вычислительной мощностью. Но чтобы полностью реализовать потенциал этих крошечных транзисторов – миниатюрных электрических выключателей – исследователи должны найти способ сделать много копий этих заведомо сложных в изготовлении компонентов.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их коллеги из Университета Мэриленда разработали пошаговую инструкцию для производства устройств атомного масштаба. Используя эти инструкции, команда под руководством NIST стала второй в мире по созданию одноатомного транзистора и первой, кто изготовил серию одноэлектронных транзисторов с атомным контролем масштаба геометрии устройства.

Ученые продемонстрировали, что они могут точно регулировать скорость, с которой отдельные электроны протекают через физический зазор или электрический барьер в их транзисторе – даже если классическая физика запрещает электронам делать это, потому что им не хватает энергии. Это строго квантовое явление, известное как квантовое туннелирование, становится важным только тогда, когда зазоры чрезвычайно малы, например, в миниатюрных транзисторах. Точный контроль над квантовым туннелированием является ключевым, поскольку он позволяет транзисторам запутываться или связываться так, как это возможно только с помощью квантовой механики, и открывает новые возможности для создания квантовых битов (кубитов), которые могут использоваться в квантовых вычислениях.

Для изготовления одноатомных и малоатомных транзисторов команда использовала известную технику, в которой кремниевый чип покрыт слоем атомов водорода, которые легко связываются с кремнием. Тонкий наконечник сканирующего туннельного микроскопа затем удалял атомы водорода в выбранных местах. Оставшийся водород действовал как барьер, так что когда команда направляла газ фосфин (PH3) на поверхность кремния, отдельные молекулы PH3 прикреплялись только к местам, где был удален водород. Затем исследователи нагрели поверхность кремния. Тепло выбрасывается атомами водорода из PH3 и заставляет оставленный позади атом фосфора внедриться в поверхность. Благодаря дополнительной обработке связанные атомы фосфора создали основу для серии высокостабильных устройств с одним или несколькими атомами, которые потенциально могут служить кубитами.

Два шага в методе, разработанном группами NIST – герметизация атомов фосфора защитными слоями кремния и затем установление электрического контакта с внедренными атомами – казалось, были необходимы для надежного изготовления многих копий атомарно точных устройств, так сказал исследователь NIST Ричард Серебро.

В прошлом исследователи обычно применяли тепло при выращивании всех слоев кремния, чтобы устранить дефекты и гарантировать, что кремний имеет чистую кристаллическую структуру, необходимую для интеграции одноатомных устройств с обычными электрическими компонентами с кремниевой микросхемой. Но ученые NIST обнаружили, что такой нагрев может сместить связанные атомы фосфора и потенциально нарушить структуру устройств атомного масштаба. Вместо этого команда нанесла первые несколько слоев кремния при комнатной температуре, что позволило атомам фосфора оставаться на месте. Только когда были нанесены последующие слои, команда применила тепло.

“Мы считаем, что наш метод нанесения слоев обеспечивает более стабильные и точные устройства атомного масштаба”, – сказал Сильвер. Наличие даже одного атома не на своем месте может изменить проводимость и другие свойства электрических компонентов, которые содержат одиночные или маленькие кластеры атомов.

Команда также разработала новую технику для решающего шага установления электрического контакта с скрытыми атомами, чтобы они могли работать как часть цепи. Ученые из NIST осторожно нагрели слой металлического палладия, нанесенный на определенные области на поверхности кремния, которые находились непосредственно над выбранными компонентами устройства, встроенного в кремний. Нагретый палладий реагировал с кремнием с образованием электропроводящего сплава, называемого силицидом палладия, который естественным образом проникал через кремний и вступал в контакт с атомами фосфора.

В недавнем выпуске журнала Advanced Functional Materials Сильвер и его коллеги, в число которых входят Сицяо Ванг, Джонатан Уайрик, Майкл Стюарт-младший и Курт Рихтер, подчеркнули, что их метод контакта имеет почти 100%-ный успех. Это ключевое достижение, отметил Вайрик. “У вас может быть лучшее в мире одноатомное транзисторное устройство, но если вы не можете научиться его использовать, это бесполезно”, – сказал он.

Изготовление одноатомных транзисторов “это очень сложный процесс, об который, возможно, каждому придется обломать себе зубы, но мы наметили шаги, чтобы другим командам не приходилось действовать методом проб и ошибок”, – сказал Рихтер.

В соответствующей работе, опубликованной сегодня в журнале Физика связи, Сильвер и его коллеги продемонстрировали, что они могут точно контролировать скорость, с которой отдельные электроны туннелируют через атомно точные туннельные барьеры в одноэлектронных транзисторах. Исследователи NIST и их коллеги изготовили серию одноэлектронных транзисторов, идентичных во всех отношениях, за исключением различий в размере туннельного зазора. Измерения потока электронов показали, что, увеличив или уменьшив зазор между компонентами транзистора менее чем на нанометр (миллиардная доля метра), команда могла точно контролировать поток одного электрона через транзистор предсказуемым образом.

“Поскольку квантовое туннелирование является фундаментальным для любого квантового устройства, включая построение кубитов, способность управлять потоком одного электрона за раз является значительным достижением”, – сказал Уайрик. Кроме того, по мере того, как инженеры собирают все больше и больше схем на крошечном компьютерном чипе, а разрыв между компонентами продолжает сокращаться, понимание и контроль эффектов квантового туннелирования станут еще более важными, добавил Рихтер.

По материалам Scitechdaily