Einzelatomtransistor Gruppe / KIT des Physikprofessors Thomas Schimmel
Hoher Energieverbrauch ist ein bekannter Nebeneffekt der Digitalisierung. Die Informationstechnologie IT hat einen Anteil von mehr als 10 Prozent am Gesamtstromverbrauch. Transistoren bilden den Kern der digitalen Datenverarbeitung in Rechenzentren sowiein Unterhaltungselektronik wie PCs, Smartphones oder sogar in eingebetteten Systemen von Haushaltsgeräten bis hin zu Flugzeugen.
Die zwingende Notwendigkeit, die Energieeffizienz in der IT zu verbessern
Hochleistungsrechner haben es sich zum Ziel gesetzt Exascale-Computer Supercomputer, die 1 Million Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde oder 1 Exaflop ausführen können, um betriebsbereit zu sein bis 2020. Das Hauptproblem für diejenigen, die an Exascale-Supercomputern arbeiten, ist die Menge an Energie, die sie verbrauchen.
Bis vor kurzem , i In Übereinstimmung mit dem Moore'schen Gesetz hatten die Ingenieure nur gehofft, dass die Betriebsspannungen für Siliziumtransistoren zusammen mit den Transistorgrößen weiter sinken würden. "Wir könnten theoretisch die Betriebsspannung von jetzt ungefähr 800 Millivolt auf einige Millivolt senken", sagte Eli Yablonovitch Computeringenieur und Direktor des Zentrums für energieeffiziente Elektronikwissenschaft der National Science Foundation an der University of California in Berkeley im Jahr 2015. Er erwartete, dass ein „Millivolt-Schalter“ eine radikale Lösung für das Energieeffizienzproblem von Supercomputing sein könnte.vorwärts bis 2018.
Einzelatomtransistor: Perspektiven für die Quantenelektronik auf atomarer Ebene
Forscher bei Karlsruher Institut für Technologie KIT in Deutschland unter der Leitung von Physiker Professor Thomas Schimmel haben die entwickelt weltweit kleinster Einzelatomtransistor, der in einem Gelelektrolyten arbeitet, der die Grenze der Miniaturisierung erreicht. Thomas Schimmel ist Professor für Physik und Direktor des Joint Institute am Institut für Angewandte Physik der Universität Karlsruhe und Leiter der Forschung am Institut für Nanotechnologieam Forschungszentrum Karlsruhe, Karlsruher Institut für Technologie KIT. Professor Schimmel ist auch wissenschaftlicher Direktor des Network of Excellence Functional Nanostructures.
Diese von Professor Schimmels Team entwickelte Quantenelektronikkomponente kann elektrischen Strom durch kontrollierte Neupositionierung eines einzelnen Atoms umschalten. Dieser Meilenstein in der Energieeffizienz arbeitet bei Raumtemperatur und verbraucht ein Minimum an Energie. Er eröffnet der Informationstechnologie IT neue Möglichkeiten.
Nach dem Zusammenfassung Der Einzelatomtransistor stellt ein quantenelektronisches Gerät dar, das bei Raumtemperatur arbeitet. Dies ermöglicht das Umschalten eines elektrischen Stroms durch die kontrollierte und reversible Verlagerung eines einzelnen Atoms innerhalb eines metallischen Quantenpunktkontakts.
In der Forschungsarbeit Quasi-Festkörper-Einzelatomtransistoren , veröffentlicht in Fortgeschrittene Materialien Die Forscher erklären, dass der Atomschalter vollständig von einer unabhängigen dritten Gateelektrode gesteuert wird, die es ermöglicht, einen metallischen Kontakt zwischen der Source- und Drain-Elektrode durch die Gate-spannungsgesteuerte Verlagerung eines einzelnen Silberatoms zu öffnen und zu schließenarbeitet durch Anlegen einer kleinen Spannung an eine Steuerelektrode oder ein Gate innerhalb des wässrigen Elektrolyten.
Atomtransistoren zeigen bemerkenswerte Eigenschaften
Die Entwicklung des von KIT-Forschern entwickelten Einzelatomtransistors ist eine weltweit erste Demonstration der Funktionalität eines Transistors auf atomarer Ebene. Diese Innovation kann die Energieeffizienz in der Informationstechnologie erheblich verbessern. Laut Professor Schimmel "ist diese QuantenelektronikElement ermöglicht Schaltenergien, die um den Faktor 10.000 kleiner als die herkömmlicher Siliziumtechnologien sind. "
Der nanoskalige Transistor schaltet elektrischen Strom durch die kontrollierte reversible Bewegung eines einzelnen Atoms. Im Gegensatz dazu schalten herkömmliche Transistoren den Strom durch lokal veränderte elektronische Eigenschaften. Der Einzelatomtransistor arbeitet sowohl bei extrem niedrigen Temperaturen nahe Null -273 ° C als auch bei Raumtemperatur, was einen großen Vorteil für zukünftige Anwendungen darstellt.
Diese Transistoren stellen Quantenschalter dar, wobei die Pegel, zwischen denen das Schalten stattfindet, grundlegende Gesetze der Quantenmechanik erhalten. Dieser Ganzmetalltransistor verwendet keinen Halbleiter. Das Fehlen einer Bandlücke ermöglicht den Betrieb bei sehr niedrigen Spannungen.
Vorteile von Einzelatomtransistoren
Die Einzelatomtransistoren besitzen extrem nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaften, was in vielen Anwendungen wünschenswert ist. Laut den Forschern können diese Transistoren unter Verwendung herkömmlicher, reichlich vorhandener, kostengünstiger und ungiftiger Materialien mit großen Vorteilen für die hergestellt werdenElektronik-Lieferkette.
Gleichzeitig eröffnen sie Perspektiven für das elektronische Schalten bei ultraschnellen Frequenzen. In ihrem Bericht sagen die Forscher, dass der Stromverbrauch solcher Geräte auf Befehl erfolgt, da der Schaltvorgang mit sehr kleinen Gate-Potentialen im Millivolt-Bereich erreicht wirdum eine Größenordnung niedriger als die herkömmlicher Elektronik auf Halbleiterbasis.
Die Zukunft der Quantenelektronik
Die Entwicklung des Einzelatomtransistors ist nur der Anfang einer aktiv gesteuerten Elektronik auf atomarer Ebene. Sie eröffnet jedoch faszinierende Perspektiven für die Entwicklung und Herstellung von Quantenelektronik und Logik auf der Basis einzelner Atome. Die Forscher erwarten die Entwicklung voneine erste einfache integrierte Schaltung und ein mehrstufiger Quantentransistor als erste ermutigende Schritte in diese Richtung.
Der extrem niedrige Stromverbrauch bei der zukünftigen Entwicklung nanoskaliger elektronischer Schaltkreise hängt von der elektronischen Leitfähigkeit auf Quantenebene ab. Der von Professor Thomas Schimmel und seinem Team entwickelte Einzelatomtransistor eröffnet aufschlussreiche und äußerst faszinierende Perspektiven für die aufstrebenden QuantenfelderElektronik und Logik auf atomarer Ebene.