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德国高校研究出世界上最小的单院子晶体管,可在固体电解质中用单个原子切换电流

德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的物理学家Thomas Schimmel教授及其团队开发了一种单原子晶体管,这是全球最小的晶体管。该量子电子器件通过控制单个原子的重新定位来切换电流,现在可在凝胶电解质中处于固态。单原子晶体管在室温下工作,消耗的能量非常少,这为信息技术开辟了全新的视角。


研究背景

数字化导致高能耗。在工业化国家,信息技术目前占总功耗的比例超过10%。晶体管是计算中心、PC、智能手机或嵌入式系统中数字数据处理的核心元素,适用于从洗衣机到飞机的许多应用。

 

市售的低成本USB记忆棒已经包含数十亿个晶体管。而如果用Schimmel教授及其团队在KIT应用物理(APH)研究所研制的单原子晶体管可能会大大提高在信息技术的能源效率。


研究成果

在《先进材料》期刊中,KIT研究人员展示了达到小型化极限的晶体管。科学家们制作了两个极小的金属接触。在它们之间,存在与单个金属原子宽的间隙,通过电控脉冲,便将一个银原子放入这个间隙并关闭电路。当再次移除银原子时,电路会中断。

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Schimmel说道,“这种量子电子器件使开关能量比传统硅技术的能量小10,000倍。”Schimmel教授是单原子电子学的先驱,已在今年早些时候被任命为KIT和苏黎世联邦理工学院联合成立的单原子电子和光子学中心的联合主任。

 

世界上最小的晶体管通过单个原子的受控可逆运动来切换电流。与传统的量子电子器件相反,单原子晶体管不仅在绝对零度即-273℃附近的极低温度下工作,而且已经在室温下工作。这是未来应用的一大优势。

 


晶体管材料

单原子晶体管基于全新的技术方法。晶体管完全由金属组成,不使用半导体。这导致晶体管只需极低的电压,因此能耗极低。到目前为止,KIT的单原子晶体管已经应用了液体电解质。目前,Thomas Schimmel和他的团队已设计了一种可在固体电解质中工作的晶体管。

 

通过用热解二氧化硅胶凝含水银电解质产生的凝胶电解质结合了固体的优点和液体的电化学性质,这样就改善了单原子晶体管的安全性和操作性。

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