Quantenelektronik: Karlsruher Forscher bauen den kleinsten Transistor der Welt

Den weltweit kleinsten Transistor haben Karlsruher Forscher gebaut. Die beiden Schaltzustände „an“ und „aus“ erreichen sie durch das Verschieben eines einzigen Atoms. Aus diesem Grund verbraucht er extrem wenig Strom. Er könnte der Schlüssel zur Reduzierung des gigantischen Energieverbrauchs informations- und kommunikationstechnischer Geräte sein. In den Industrieländern ist dieser Bereich mit zehn Prozent am Strombedarf beteiligt.

„Mit diesem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um einen Faktor 10.000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen“, sagt der Physiker und Nanotechnologie-Experte Professor Thomas Schimmel, der am Institut für Angewandte Physik, am Institut für Nanotechnologie (INT) und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT forscht. Alle gehören zum Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Schimmel gilt als Pionier der Einzelatom-Elektronik.

Lücke ist so winzig wie ein Silberatom

Das Team um Schimmel hat mit seinem Einzelatom-Transistor die untere Grenze der Miniaturisierung erreicht – kleiner geht es nicht. Die Forscher haben zwei winzige Metallkontakte gefertigt, zwischen denen eine Lücke besteht, die so breit ist wie ein einzelnes Silberatom. „Über einen elektrischen Steuerimpuls schieben wir ein einziges Silberatom in diese Lücke – der Stromkreis ist geschlossen“, so Schimmel. „Schieben wir das Silberatom wieder heraus, ist der Stromkreis unterbrochen.“ Damit erfüllt er die Anforderungen an einen Transistor.

Transistor funktioniert bei Raumtemperatur

Anders als konventionelle quantenelektronische Bauteile funktioniert der Einzelatom-Transistor allerdings nicht erst bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Er arbeitet bereits bei Raumtemperatur – eine entscheidende Voraussetzung für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten, etwa in Servern oder Smartphones.

Ursprünglich funktionierte der Transistor nur in einem flüssigen Elektrolyten. Das hätte die Nutzung in technischen Geräten massiv erschwert. Jetzt gelang es dem Team, den elektronischen Schalter in ein Gel einzubauen, das gleichzeitig als Elektrolyt fungiert. Der Transistor kommt ganz ohne Halbleiter aus, die die moderne Elektronik bisher dominieren. Das ist der Grund für den extrem geringen Energieverbrauch bei ebenfalls extrem niedrigen Spannungen. 

via KIT