作者：Jean-Jacques DeLisle，特約撰稿人

卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 的一個研究小組聲稱，這是可以用固體電解質中的單個原子切換電源的最小晶體管。晶體管是我們日常生活中使用的幾乎所有電子產品的基本組件。從收音機和電視到智能手機和電腦，一切都包含晶體管。從本質上講，晶體管的功能很簡單。它是一種可以根據其三個端子與電路的連接方式來切換或放大電信號的設備。

晶體管有多種類型，但大多數情況下，它們是在半導體晶片上制造的。過去，大多數半導體都是由純化的硅或鍺制成的，但最近，由 KIT 的 Thomas Schimmel 教授領導的一個團隊一直在試驗電解質和其他材料，以使晶體管小型化，使其僅通過單個原子。該團隊已經能夠控制懸浮在凝膠電解質中的單個銀原子的位移，從而使他們能夠切換電流。

過去，量子電子設備有極端的操作限制。其中許多需要極低的溫度和大量的能量才能發揮作用，但新晶體管并非如此。在 KIT 中創建的晶體管在室溫下運行，并且能量相對較少，這意味著它可以用于降低各種設備的能耗。顯著降低的能源成本可能會對數據的傳輸方式產生巨大影響。

研究人員指出，信息技術消耗了發達國家生產的能源的 10%。通過使晶體管非常小并將功能限制為單個原子的位移，研究人員認為，單原子晶體管“可能對未來信息技術的能源效率做出重大貢獻”。

“這種量子電子元件可以實現開關能量，比傳統硅技術低 10,000 倍，”在 APH、納米技術研究所 (INT) 和材料研究所進行研究的物理學家和納米技術專家 Schimmel 說KIT 的能源系統科學中心 (MZE)。Schimmel 被認為是單原子電子學的先驅，也是單原子電子學和光子學中心的聯合主任。

新晶體管的創造者在 Advanced Materials 雜志上解釋了它的功能。為了制造晶體管，兩個極小的金屬觸點懸浮在凝膠電解質中。觸點靠得很近，它們之間只有一個原子的寬度。銀原子也懸浮在電解質中。通過置換這個原子，電流被切換。“通過電控制脈沖，我們將單個銀原子推入這個間隙——電路閉合，”Schimmel 說。“如果我們再把銀原子推出去，電路就會中斷。”

通過利用這個看似簡單的原理，Schimmel 能夠制造出最小規模的晶體管，使晶體管能夠通過單個原子的可逆運動來切換電流。

為了開發單原子晶體管，研究人員對晶體管采取了完全不同的技術方法。通過完全用金屬構建單原子晶體管，并且沒有半導體，它的開發人員設法制造了一種可以在極低電壓下工作的晶體管，因此在其運行中消耗的能量非常少。

一段時間以來，單原子晶體管只能在懸浮在液體電解質中時才能發揮作用，這使得它不切實際，但 KIT 的 Schimmel 團隊首次開發了一種在固體電解質中工作的晶體管。通過制造凝膠電解質，他們能夠通過將液體電解質的電特性與固體電解質更理想的物理特性相結合，實現兩全其美。

“與傳統的量子電子元件相反，單原子晶體管不僅可以在接近絕對零的極低溫度（即 –273°C）下工作，而且已經在室溫下工作，”Schimmel 說。“這對未來的應用來說是一個很大的優勢。”

單原子晶體管是真正的新事物，可能是迄今為止創造的量子電子學最實用的例子之一。隨著更緊湊和更高性能的組件的開發，電子產品隨著時間的推移變得越來越小。微型化技術過程的最終結果是創造出單原子電子元件。然而，該設備的當前狀態遠不是一個原子大小。盡管它通過單個原子的運動發揮作用，但它只是一個概念證明，該技術可能需要幾年時間才能為主流使用做好準備。

審核編輯 黃昊宇