单原子晶体管的新配方可能使量子计算机具有无与伦比的内存和处理能力

链接这些设备的多个副本可以为量子计算奠定基础。

一旦无法想象，仅由几个原子簇甚至单个原子组成的晶体管就有望成为具有无与伦比的存储和处理能力的新一代计算机的基础。但是，要实现这些微型晶体管（微型电子开关）的全部潜能，研究人员必须找到一种方法来制作这些众所周知难以制造的组件的许多副本。

现在，美国国家标准技术研究院（NIST）的研究人员及其马里兰大学的同事们已经逐步开发出配方，以生产原子级装置。使用这些说明，由NIST领导的团队已成为世界上仅第二个构造单原子晶体管的团队，并且是第一个制造对器件的几何尺寸进行原子级控制的单电子晶体管的团队。

科学家证明，他们可以精确地调整单个电子流过其晶体管中的物理间隙或电障的速度，尽管经典物理学会禁止电子这样做，因为它们缺乏足够的能量。这种严格的量子现象（称为量子隧穿）仅在间隙极小时（例如在微型晶体管中）才变得重要。精确控制量子隧穿是关键，因为它使晶体管能够以“纠缠”或互连的方式只能通过量子力学来实现，并为创建可用于量子计算的量子位（qubit）开辟了新的可能性。

为了制造单原子和少原子的晶体管，该团队依靠一种已知的技术，其中硅芯片上覆盖了一层氢原子，该氢原子很容易与硅结合。扫描隧道显微镜的细小尖端然后去除了选定位置的氢原子。剩余的氢起到了屏障的作用，因此当研究小组将磷化氢气体（PH3）引导到硅表面时，单个的PH3分子仅附着在去除氢的位置（请参见动画）。然后研究人员加热了硅表面。热量从PH3释放出氢原子，并导致残留的磷原子自身嵌入表面。通过额外的处理，键合的磷原子为一系列可能用作量子位的高度稳定的单原子或很少原子的设备奠定了基础。

NIST研究人员Richard认为，由NIST小组设计的方法中的两个步骤-用硅的保护层密封磷原子，然后与嵌入的原子进行电接触-对于可靠地制造许多原子精确的设备副本来说，这似乎是必不可少的银说。

过去，研究人员通常在所有硅层都生长时施加热量，以消除缺陷并确保硅具有将单原子器件与常规硅芯片电子组件集成在一起所需的纯晶体结构。但是NIST的科学家发现，这种加热可能会使结合的磷原子脱落，并可能破坏原子级装置的结构。取而代之的是，研究小组在室温下沉积了前几个硅层，从而使磷原子得以保留。只有在随后的层被沉积时，团队才施加热量。

Silver说：“我们相信我们的层涂覆方法可以提供更稳定，更精确的原子级设备。”甚至没有单个原子都可以改变具有单个或小的原子簇的电子组件的电导率和其他属性。

该团队还开发了一种新颖的技术，用于与埋藏原子进行电接触的关键步骤，以便它们可以作为电路的一部分运行。NIST的科学家们轻轻地加热了一层钯金属，该金属层镀在硅表面特定区域上，该区域直接位于嵌入式硅器件的选定组件上方。加热的钯与硅反应形成称为硅化钯的导电合金，该合金自然穿透硅并与磷原子接触。

在最新版的《高级功能材料》中，Silver及其同事（包括王希乔，乔纳森·怀里克，迈克尔·斯图尔特小和库特·里希特）强调，他们的联系方式取得了近100％的成功率。威里克指出，这是一项关键成就。他说：“您可以拥有世界上最好的单原子晶体管器件，但是如果您无法与之接触，那就没用了。”

Richter说：“制造单原子晶体管“是一个困难而复杂的过程，也许每个人都必须咬牙切齿，但是我们已经制定了步骤，这样其他团队就不必再试一试了。”

在今天发表在《通信物理学》上的相关工作中，西尔弗和他的同事们证明了他们可以精确地控制单个电子穿过单电子晶体管中原子精确的隧道势垒的速率。NIST的研究人员和他们的同事制造了一系列单电子晶体管，除了隧穿间隙的大小不同外，它们在各个方面都相同。对电流的测量表明，通过将晶体管组件之间的间隙增加或减小不到纳米（十亿分之一米），该团队可以以可预测的方式精确地控制单个电子通过晶体管的流动。

怀里克说：“由于量子隧穿对于任何量子器件都至关重要，包括量子位的构造，因此一次控制一个电子流的能力是一项重大成就。”此外，随着工程师将越来越多的电路封装在微型计算机芯片上并且组件之间的间隙不断缩小，理解和控制量子隧穿的影响将变得更加关键，Richter说。

参考：Jonathan Wyrick，王西乔，Ranjit V. Kashid，Pradeep Namboodiri，Scott W. Schmucker，Joseph A. Hagmann，Keyi Liu，Michael D. Stewart Jr.撰写的“单个和少量掺杂量子器件的逐原子制造”， Curt A.Richter，Garnett W.Bryant和Richard M.Silver，2019年8月14日，先进功能材料。
10.1002 / adfm.201903475