14/08/2018
Door Ad Spijkers
Onderzoekers aan het Karlsruher Institut für Technologie hebben de kleinst mogelijke transistor ontwikkeld. Het gaat om een kwantum-elektronisch onderdeel, dat een elektrische stroom schakelt door het gecontroleerd verschuiven van een afzonderlijk atoom.
De digitalisering vraagt veel energie. In industrielanden is de informatietechnologie momenteel verantwoordelijk voor meer dan tien procent van het stroomverbruik. Het centrale element in de digitale dataverwerking is de transistor, of dat nu in rekencentra, PC's, smartphones of embedded systemen voor veel toepassingen van wasmachine tot vliegtuig is.
Op een USB-stick, die voor weinig euro's te koop is, bevinden zich al meerdere miljarden transistoren. De in Karlsruhe ontwikkelde transistor van één atoom zou in de toekomst aanzienlijk kunnen bijdragen aan het energetisch rendement in de informatietechnologie. Met het kwantum-elektronische onderdeel zijn schakelenergieën mogelijk die een factor 10.000 beneden die van conventionele siliciumtechnologieën liggen.
Transistor van één atoom
De onderzoekers van het KIT hebben een transistor gemaakt die de grenzen van de miniaturisering heeft bereikt. Ze hebben daarvoor twee minuscule metaalcontacten gemaakt, waartussen een gat ter grootte van een afzonderlijk metaalatoom ligt. Via een elektrische impuls schuiven ze een enkel zilveratoom in dit gat en daarmee is de stroomkring gesloten. Wordt het atoom er weer uitgeschoven, dan is de stroomkring onderbroken. De kleinste transistor der wereld schakelt daarmee stroom via een gecontroleerde omkeerbare beweging van een enkel atoom.
Anders dan conventionele kwantum-elektronische onderdelen functioneert de transistor van één atoom echter niet pas bij extreem diepe temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt (-273,15°C). Deze transistor werkt al bij kamertemperatuur, een belangrijk voordeel voor toekomstige toepassingsmogelijkheden.
Met de transistor van één atoom hebben de onderzoekers een technologisch geheel nieuwe benadering gerealiseerd. De transistor bestaat uitsluitend uit metaal en werkt zonder halfgeleiders. Dit resultaat in extreem lage elektrische spanningen en een extreem laag energieverbruik. Tot nu werkte de transistor uit Karlsruhe op een vloeibare elektrolyt. Nu hebben de onderzoekers een transistor gemaakt die in een vaste elektrolyt functioneert.
De gel-elektrolyt, ontstaan door het geleren van een waterige zilverelektrolyt met pyrogeen siliciumdioxide, combineert de voordelen van een vaste stof met de elektrochemische eigenschappen en verbetert daarmee zowel de veiligheid als de handling van de transistor met één atoom.
(foto: Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT)