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Einzelnes Atom schaltet Transistor

Rekord-Transistor: Kleiner geht es nicht

| Redakteur: Christian Lüttmann

Ohne Transistoren wäre unsere heutige Technologie nicht möglich. Die winzigen Schaltelemente stecken in Festplatten, Speicherkarten Mikroprozessoren und vielem mehr. Am Karlsruher Institut für Technologie haben Physiker nun das Limit der Miniaturisierung erreicht. Ihr Transistor nutzt ein einzelnes Atom zur Steuerung des Stromflusses – und das bei Raumtemperatur und minimalem Energieverbrauch.

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Die Grenze der Miniaturisierung erreicht der Einzelatom-Transistor, der in einem Gel-Elektrolyten funktioniert.
Die Grenze der Miniaturisierung erreicht der Einzelatom-Transistor, der in einem Gel-Elektrolyten funktioniert.
(Bild: Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT)

Karlsruhe – Die Digitalisierung bedingt einen enormen Energiebedarf: In Industrieländern ist die Informationstechnologie derzeit für mehr als zehn Prozent des Stromverbrauchs verantwortlich. Zentrales Element der digitalen Datenverarbeitung ist der Transistor – ob in Rechenzentren, PCs, Smartphones oder in eingebetteten Systemen für viele Anwendungen von der Waschmaschine bis zum Flugzeug. Auf einem aktuell für wenige Euro erhältlichen USB-Speicherstick befinden sich bereits mehrere Milliarden Transistoren.

Prof. Thomas Schimmel und sein Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun einen neuen Transistor entwickelt, dessen Schaltstelle über ein einzelnes Atom funktioniert. Dieser Einzelatom-Transistor könnte künftig erheblich zur Energieeffizienz in der Informationstechnologie beitragen: „Mit diesem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um einen Faktor 10.000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen“, sagt der Physiker und Nanotechnologie-Experte Schimmel.

Miniaturisierung am Limit

Mit dem neuen KIT-Transistor ist die Grenze der Miniaturisierung erreicht. Die Wissenschaftler haben dafür zwei winzige Metallkontakte gefertigt, zwischen denen eine Lücke in der Breite eines einzigen Metallatoms besteht. „Über einen elektrischen Steuerimpuls schieben wir ein einziges Silberatom in diese Lücke – der Stromkreis ist geschlossen“, erklärt Schimmel. „Schieben wir das Silberatom wieder heraus, ist der Stromkreis unterbrochen.“

Der kleinste Transistor der Welt schaltet Strom somit über die kontrollierte reversible Bewegung eines einzigen Atoms. Anders als konventionelle quantenelektronische Bauteile funktioniert der Einzelatom-Transistor allerdings nicht erst bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt von -273 °C. Er arbeitet bereits bei Raumtemperatur – ein entscheidender Vorteil für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.

Sicher zu handhaben dank Gel-Elektrolyt

Mit dem Einzelatom-Transistor haben die Forscher am KIT einen technologisch völlig neuen Ansatz verwirklicht: Der Transistor besteht ausschließlich aus Metall und kommt ohne Halbleiter aus. Die Folge sind extrem niedrige elektrische Spannungen und damit ein extrem niedriger Energieverbrauch.

Bisher war der Karlsruher Einzelatom-Transistor auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen. Nun hat Thomas Schimmel mit seinem Team erstmals einen Transistor hergestellt, der in einem festen Elektrolyten funktioniert: Der durch Gelieren eines wässrigen Silberelektrolyten mit pyrogenem Siliziumdioxid entstandene Gel-Elektrolyt verbindet die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und verbessert damit sowohl die Sicherheit als auch die Handhabung des Einzelatom-Transistors.

Originalpublikation: Fangqing Xie, Andreas Peukert, Thorsten Bender, Christian Obermair, Florian Wertz, Philipp Schmieder, and Thomas Schimmel: Quasi-Solid-State Single-Atom Transistors. Adv. Mater. 2018, 30, 1801225; DOI: 10.1002/adma.201801225

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