นักวิทยาศาสตร์สร้างสูตรใหม่สำหรับทรานซิสเตอร์อะตอมเดียว

ตอนนี้ นักวิจัยจาก National Institute of Standards and Technology (NIST) และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาที่ University of Maryland ได้พัฒนาสูตรทีละขั้นตอนเพื่อผลิตอุปกรณ์ระดับอะตอม เมื่อใช้คำแนะนำเหล่านี้ ทีมที่นำโดย NIST ได้กลายเป็นเพียงทีมที่สองในโลกที่สร้างทรานซิสเตอร์แบบอะตอมเดี่ยวและเป็นคนแรกที่ประดิษฐ์ชุดทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวที่มีการควบคุมระดับอะตอมเหนือรูปทรงเรขาคณิตของอุปกรณ์ นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถปรับอัตราที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวไหลผ่านช่องว่างทางกายภาพหรือสิ่งกีดขวางทางไฟฟ้าในทรานซิสเตอร์ได้อย่างแม่นยำ แม้ว่าฟิสิกส์แบบดั้งเดิมจะห้ามไม่ให้อิเล็กตรอนทำเช่นนั้นเพราะไม่มีพลังงานเพียงพอ ปรากฏการณ์ควอนตัมอย่างเคร่งครัดที่เรียกว่าควอนตัมทันเนลจะมีความสำคัญก็ต่อเมื่อช่องว่างมีขนาดเล็กมาก เช่น ในทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก การควบคุมที่แม่นยำเหนือควอนตัมทันเนลเป็นกุญแจสำคัญ เนื่องจากช่วยให้ทรานซิสเตอร์กลายเป็น "พันกัน" หรือเชื่อมต่อกันในลักษณะที่เป็นไปได้ผ่านกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น และเปิดโอกาสใหม่สำหรับการสร้างควอนตัมบิต (qubits) ที่สามารถใช้ในควอนตัมคอมพิวติ้ง ในการสร้างทรานซิสเตอร์แบบอะตอมเดี่ยวและแบบไม่กี่อะตอม ทีมงานอาศัยเทคนิคที่เป็นที่รู้จักซึ่งชิปซิลิคอนถูกปกคลุมด้วยชั้นของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งจับกับซิลิกอนได้อย่างง่ายดาย ปลายละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์จะกำจัดอะตอมของไฮโดรเจนในบริเวณที่เลือก ไฮโดรเจนที่เหลืออยู่ทำหน้าที่เป็นตัวกั้น ดังนั้นเมื่อทีมส่งก๊าซฟอสฟีน (PH 3 ) ที่พื้นผิวซิลิกอน โมเลกุลของ PH 3 แต่ละอัน จะติดอยู่กับตำแหน่งที่ไฮโดรเจนถูกกำจัดออกไปเท่านั้น (ดูภาพเคลื่อนไหว) นักวิจัยจึงให้ความร้อนแก่พื้นผิวซิลิกอน ความร้อนปล่อยอะตอมไฮโดรเจนออกจาก PH 3และทำให้อะตอมของฟอสฟอรัสที่ทิ้งไว้ฝังตัวอยู่ในพื้นผิว ด้วยการประมวลผลเพิ่มเติม อะตอมของฟอสฟอรัสที่ถูกผูกไว้ได้สร้างรากฐานของอุปกรณ์อะตอมเดี่ยวหรือไม่กี่อะตอมที่มีความเสถียรสูงซึ่งมีศักยภาพในการทำหน้าที่เป็นคิวบิต สองขั้นตอนในวิธีการที่ทีม NIST คิดค้นขึ้น นั่นคือการผนึกอะตอมของฟอสฟอรัสด้วยชั้นป้องกันของซิลิกอน แล้วทำการสัมผัสทางไฟฟ้ากับอะตอมที่ฝังตัว ดูเหมือนจะมีความสำคัญในการสร้างสำเนาของอุปกรณ์ที่แม่นยำระดับอะตอมจำนวนมากได้อย่างน่าเชื่อถือ NIST Richard Silver นักวิจัยกล่าวว่า ในอดีต นักวิจัยมักจะใช้ความร้อนในขณะที่ชั้นซิลิกอนทั้งหมดโตขึ้น เพื่อกำจัดข้อบกพร่องและให้แน่ใจว่าซิลิกอนมีโครงสร้างผลึกบริสุทธิ์ที่จำเป็นในการรวมอุปกรณ์ อะตอม เดี่ยวกับส่วนประกอบไฟฟ้าชิปซิลิกอนทั่วไป แต่นักวิทยาศาสตร์ของ NIST พบว่าความร้อนดังกล่าวสามารถขับอะตอมฟอสฟอรัสที่เกาะอยู่ออก และอาจทำให้โครงสร้างของอุปกรณ์ระดับอะตอมเสียหายได้ ทีมงานได้ฝากชั้นซิลิกอนหลายชั้นแรกไว้ที่อุณหภูมิห้อง เพื่อให้อะตอมของฟอสฟอรัสยังคงอยู่ ทีมงานใช้ความร้อนเมื่อมีการสะสมชั้นที่ตามมาเท่านั้น "เราเชื่อว่าวิธีการใช้เลเยอร์ของเราทำให้อุปกรณ์ระดับอะตอมมีความเสถียรและแม่นยำมากขึ้น" ซิลเวอร์กล่าว การมีอะตอมเดี่ยวอยู่นอกสถานที่สามารถเปลี่ยนแปลงการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติอื่นๆ ของส่วนประกอบทางไฟฟ้าที่มีอะตอมเดี่ยวหรือกลุ่มเล็กๆ ได้ ทีมงานยังได้พัฒนาเทคนิคใหม่สำหรับขั้นตอนสำคัญในการติดต่อทางไฟฟ้ากับอะตอมที่ฝังไว้เพื่อให้สามารถทำงานได้เป็นส่วนหนึ่งของวงจร นักวิทยาศาสตร์ของ NIST อุ่นชั้นของโลหะแพลเลเดียมเบา ๆ ที่นำไปใช้กับบริเวณเฉพาะบนพื้นผิวซิลิกอนซึ่งอยู่เหนือส่วนประกอบที่เลือกของอุปกรณ์ที่ฝังซิลิกอนโดยตรง แพลเลเดียมที่ได้รับความร้อนทำปฏิกิริยากับซิลิกอนเพื่อสร้างโลหะผสมนำไฟฟ้าที่เรียกว่าแพลเลเดียมซิลิไซด์ ซึ่งตามธรรมชาติจะแทรกซึมผ่านซิลิคอนและสัมผัสกับอะตอมของฟอสฟอรัส ในAdvanced Functional Materialsฉบับล่าสุด Silver และเพื่อนร่วมงานของเขา ซึ่งรวมถึง Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. และ Curt Richter เน้นย้ำว่าวิธีการติดต่อของพวกเขามีอัตราความสำเร็จเกือบ 100% นั่นเป็นความสำเร็จที่สำคัญ Wyrick กล่าว "คุณสามารถมีอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์แบบอะตอมเดียวที่ดีที่สุดในโลกได้ แต่ถ้าคุณไม่สามารถติดต่อกับมันได้ มันก็ไร้ประโยชน์" เขากล่าว การสร้างทรานซิสเตอร์แบบอะตอมเดี่ยว "เป็นกระบวนการที่ยากและซับซ้อนที่ทุกคนต้องฟันฝ่า แต่เราได้วางขั้นตอนไว้เพื่อให้ทีมอื่นไม่ต้องลองผิดลองถูก" ริชเตอร์กล่าว ในงานที่เกี่ยวข้องที่เผยแพร่ในวันนี้ใน Communications Physics ซิลเวอร์และเพื่อนร่วมงานของเขาได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถควบคุมอัตราที่อุโมงค์อิเล็กตรอนแต่ละตัวผ่านอุปสรรคอุโมงค์ที่แม่นยำระดับอะตอมในทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวได้อย่างแม่นยำ นักวิจัยของ NIST และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาประดิษฐ์ชุดทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวที่เหมือนกันทุกประการ ยกเว้นความแตกต่างในขนาดของช่องว่างในอุโมงค์ การวัดการไหลของกระแสบ่งชี้ว่าการเพิ่มหรือลดช่องว่างระหว่างส่วนประกอบของทรานซิสเตอร์น้อยกว่า 1 นาโนเมตร (หนึ่งในพันล้านเมตร) ทีมงานสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนตัวเดียวผ่านทรานซิสเตอร์ในลักษณะที่คาดเดาได้อย่างแม่นยำ Wyrick กล่าวว่า "เนื่องจากอุโมงค์ควอนตัมเป็นพื้นฐานของอุปกรณ์ควอนตัมใดๆ รวมถึงการสร้างคิวบิต ความสามารถในการควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนครั้งละหนึ่งตัวจึงเป็นความสำเร็จที่สำคัญ" Wyrick กล่าว นอกจากนี้ เนื่องจากวิศวกรบรรจุวงจรบนชิปคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กมากขึ้นเรื่อยๆ และช่องว่างระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ก็ลดขนาดลงเรื่อยๆ การทำความเข้าใจและควบคุมผลกระทบของควอนตัมทันเนลจะมีความสำคัญมากยิ่งขึ้น Richter กล่าว