Uma vez inimaginável, transistores consistindo apenas de clusters de vários átomos ou mesmo átomos únicos prometem se tornar os blocos de construção de uma nova geração de computadores com memória e poder de processamento incomparáveis. Mas para realizar todo o potencial desses minúsculos transistores - interruptores elétricos em miniatura - os pesquisadores devem encontrar uma maneira de fazer muitas cópias desses componentes notoriamente difíceis de fabricar.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas da Universidade de Maryland desenvolveram uma receita passo a passo para produzir os dispositivos em escala atômica. Usando essas instruções, a equipe liderada pelo NIST tornou-se apenas a segunda no mundo a construir um transistor de átomo único e a primeira a fabricar uma série de transistores de elétron único com controle em escala atômica sobre a geometria dos dispositivos.

Os cientistas demonstraram que podiam ajustar com precisão a taxa na qual os elétrons individuais fluem através de uma lacuna física ou barreira elétrica em seu transistor - embora a física clássica proibisse os elétrons de fazer isso porque não tinham energia suficiente. Esse fenômeno estritamente quântico, conhecido como tunelamento quântico, só se torna importante quando as lacunas são extremamente pequenas, como nos transistores em miniatura. O controle preciso sobre o tunelamento quântico é fundamental porque permite que os transistores se tornem "emaranhados" ou interligados de uma forma apenas possível através da mecânica quântica e abre novas possibilidades para a criação de bits quânticos (qubits) que podem ser usados ​​na computação quântica.

Para fabricar transistores de átomo único e poucos átomos, a equipe baseou-se em uma técnica conhecida em que um chip de silício é coberto com uma camada de átomos de hidrogênio, que se ligam prontamente ao silício. A ponta fina de um microscópio de tunelamento então removeu átomos de hidrogênio em locais selecionados. O hidrogênio restante atuou como uma barreira para que, quando a equipe dirigisse o gás fosfina (PH ₃ ) na superfície de silício, PH individual ₃ moléculas presas apenas aos locais onde o hidrogênio foi removido (veja a animação). Os pesquisadores então aqueceram a superfície de silício. O calor ejetou átomos de hidrogênio do PH ₃ e fez com que o átomo de fósforo que ficou para trás se incrustasse na superfície. Com processamento adicional, átomos de fósforo ligados criaram a base de uma série de dispositivos de um ou poucos átomos altamente estáveis ​​que têm o potencial de servir como qubits.

Duas das etapas do método desenvolvido pelas equipes do NIST - selar os átomos de fósforo com camadas protetoras de silício e, em seguida, fazer contato elétrico com os átomos incorporados - parecem ter sido essenciais para fabricar de forma confiável muitas cópias de dispositivos atomicamente precisos, O pesquisador do NIST Richard Silver disse.

No passado, os pesquisadores normalmente aplicam calor à medida que todas as camadas de silício crescem, a fim de remover defeitos e garantir que o silício tenha a estrutura cristalina pura necessária para integrar os dispositivos de átomo único com componentes elétricos de chip de silício convencionais. Mas os cientistas do NIST descobriram que esse aquecimento poderia desalojar os átomos de fósforo ligados e potencialmente perturbar a estrutura dos dispositivos em escala atômica. Em vez de, a equipe depositou as primeiras várias camadas de silício em temperatura ambiente, permitindo que os átomos de fósforo permaneçam imóveis. Somente quando as camadas subsequentes foram depositadas, a equipe aplicou calor.

"Acreditamos que nosso método de aplicação das camadas fornece dispositivos em escala atômica mais estáveis ​​e precisos, "disse Silver. Ter até mesmo um único átomo fora do lugar pode alterar a condutividade e outras propriedades dos componentes elétricos que apresentam um ou pequenos aglomerados de átomos.

A equipe também desenvolveu uma nova técnica para a etapa crucial de fazer contato elétrico com os átomos enterrados para que possam operar como parte de um circuito. Os cientistas do NIST aqueceram suavemente uma camada de paládio metálico aplicada a regiões específicas na superfície de silício que residia diretamente acima de componentes selecionados do dispositivo embutido em silício. O paládio aquecido reagiu com o silício para formar uma liga eletricamente condutora chamada siliceto de paládio, que naturalmente penetrou através do silício e fez contato com os átomos de fósforo.

Em uma edição recente de Materiais Funcionais Avançados , Silver e seus colegas, que incluem Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. e Curt Richter, enfatizou que seu método de contato tem uma taxa de sucesso de quase 100%. Essa é uma conquista importante, observou Wyrick. "Você pode ter o melhor dispositivo de transistor de átomo único do mundo, mas se você não pode fazer contato com ele, é inútil, " ele disse.

Fabricação de transistores de átomo único "é um processo difícil e complicado que talvez todos tenham que começar a trabalhar, mas apresentamos as etapas para que outras equipes não precisem prosseguir por tentativa e erro, "disse Richter.

Em trabalho relacionado publicado hoje em Física das Comunicações , Silver e seus colegas demonstraram que podiam controlar com precisão a taxa na qual os elétrons individuais se tunelam através de barreiras de túnel atomicamente precisas em transistores de elétron único. Os pesquisadores do NIST e seus colegas fabricaram uma série de transistores de elétron único idênticos em todos os sentidos, exceto pelas diferenças no tamanho do gap de tunelamento. As medições do fluxo de corrente indicaram que, aumentando ou diminuindo a lacuna entre os componentes do transistor em menos de um nanômetro (bilionésimo de um metro), a equipe conseguiu controlar com precisão o fluxo de um único elétron através do transistor de uma maneira previsível.

"Porque o tunelamento quântico é tão fundamental para qualquer dispositivo quântico, incluindo a construção de qubits, a capacidade de controlar o fluxo de um elétron por vez é uma conquista significativa, "Wyrick disse. Além disso, à medida que os engenheiros colocam mais e mais circuitos em um minúsculo chip de computador e a lacuna entre os componentes continua a diminuir, compreender e controlar os efeitos do tunelamento quântico se tornará ainda mais crítico, Disse Richter.