Großzügige Spende für atomare Transistoren

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Atomgroße elektronische Bauelemente sind nicht neu, finden aber bislang nur im Labor statt. Ein neues Zentrum für Einzelatom-Elektronik könnte nun allerdings den langen Weg in die Fabrikhallen abkürzen.

Längst hat die Elektronikindustrie den Mikrometerbereich hinter sich gelassen und produziert Nanometer kleine elektronische Bauelemente. Da es aber nie klein genug sein kann, hört man in regelmäßigen Abständen aus den Laboren der Welt Nachrichten wie etwa „das kleinste ODER der Welt aus wenigen magnetischen Atomen oder „ der weltweit erste atomare Transistor“. Wie langwierig Forschung in diesen Skalenbereichen ist, zeigt das letzte Beispiel. Es stammt aus dem Jahr 2004. Professor Dr. Thomas Schimmel vom Forschungszentrum Karlsruhe hatte damals einen Einzelatom-Transistor aus einem einzigen Silberatom vorgestellt.

Einzelatom-Elektronik (Bild: KIT)
Durch das Umklappen eines einzelnen Metall-Atoms wird ein elektrischer Stromkreis geschlossen (links) und geöffnet (rechts). Die Position dieses Atoms wird über die Spannung an einer unabhängigen Elektrode gesteuert.(Bild: KIT).

Das Bauelement funktioniert wie ein Schalter, der einen elektrischen Stromkreis öffnet und schließt. Auf zwei Metallelektroden, zwischen denen eine winzige Lücke den Stromkreis unterbricht, wird so lange Silber abgeschieden, bis ein einzelnes Silberatom die beiden Pole verbindet. Der Stromkreis schließt sich dadurch und Strom fließt. Dieses Atom lässt sich nun –  gesteuert durch eine unabhängige dritte Elektrode – auf- und zuklappen. Wie bei einem „großen“ Transistor kann so der Strom zwischen zwei Elektroden durch eine außen angelegte Steuerspannung ein- und ausgeschaltet werden. Letztlich beruht unsere gesamte Computer- und Informationstechnologie auf diesem einfachen Mechanismus.

Da das „Brücken-Atom“ das einzige bewegliche Teil des Einzelatom-Transistors ist, könnte er prinzipiell bei extrem hohen Frequenzen arbeiten. Darüber hinaus sind für den Betrieb nur wenige Millivolt nötig, was den Energieverbrauch deutlich senken würde. Und nicht zuletzt erhoffte man sich damals von der atomaren Elektronik die Entwicklung maßgeschneiderter quantenelektronischer Systeme („Quantum System Engineering“) bei Raumtemperatur.

Einzelatom-Elektronik für die Fertigung

Jetzt, dreizehn Jahre später, soll die Grundlagenforschung in industrielle Prototypen und marktfähige Produkte münden. Dazu bauen das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die ETH Zürich ein gemeinsames Zentrum für Einzelatom-Elektronik und –Photonik auf. Möglich wird dies durch eine Schenkung der schweizerischen Werner-Siemens-Stiftung in Höhe von 10,5 Mio. Euro.

Der Fokus der Forschung liegt auf integrierten Schaltkreisen, deren Bauteile auf dem Niveau von einzelnen Atomen arbeiten, sich aber auch in die bestehende industrielle CMOS-Technologie integrieren. Dazu entwickeln die Wissenschaftler im nächsten Schritt die neuen Bausteine für Logik und Speicher basierend auf den Prototypen weiter. Danach folgen erste einfache Chips einer neuen Generation von „atomaren“ Bauteilen. Eine Größenreduktion um den Faktor 100 bis 1000 und eine Energieeinsparung im selben Bereich gegenüber heutigen Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) sollte sich mit ihnen erreichen lassen.

 

 

Einzelatom-Elektronik (Bild: KIT)

Der kleinste Transistor schaltet mit nur einem Atom. (Bild: KIT).