单原子晶体管的创新将使量子计算机具有无与伦比的内存和处理能力

 新闻资讯     |      2020-07-18 15:25

美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员与马里兰大学合作,开发出进行原子级控制的新型单原子晶体管以生产原子级装置,可以精确地调整单个电子流过其晶体管中的物理间隙或电子势垒的速率,尽管经典物理学会禁止电子这样做,因为它们缺乏足够的能量。这种严格的称为量子隧穿的量子现象仅在间隙极小,例如在微型晶体管中时才变得重要。精确控制量子隧穿是关键,因为它使晶体管能够以仅通过量子力学可能的“纠缠”方式互连,并为创建可用于量子计算的量子位(qubit)开辟了新的可能性。

为了制造单原子和少量原子的晶体管,该团队依靠一种已知的技术,即在硅芯片上覆盖一层容易与硅结合的氢原子。然后,扫描隧道显微镜的细小尖端去除了选定位置的氢原子。剩余的氢起到了屏障的作用,因此当将磷化氢气体(PH3)引导到硅表面时,单个的磷化氢分子仅附着在氢被去除的位置。具体工艺制造过程如下面动画视频所示。

研究人员加热了硅表面。热量从磷化氢释放出氢原子,并使残留的磷原子嵌入表面。通过额外的处理,键合的磷原子为一系列可能用作量子位的高度稳定的单原子或少数原子装置奠定了基础。

研究人员认为,由这种设计的方法中的两个步骤:用硅的保护层密封磷原子,然后与嵌入的原子进行电接触,对于可靠地制造许多原子精确的器件来说,这似乎是必不可少的。

过去,研究人员通常在所有硅层都生长时施加热量,以消除缺陷并确保硅具有将单原子器件与常规硅芯片电子组件集成在一起所需的纯晶体结构。但是该研究团队发现,这种加热可能会使结合的磷原子脱落,并可能破坏原子级装置的结构。取而代之的是,在室温下沉积了前几个硅层,从而使磷原子得以保留。只有在随后的层被沉积时,才施加热量。

研究人员说:“我们相信,我们使用这些层的方法可以提供更稳定,更精确的原子级设备。”甚至没有单个原子都可以改变具有单个或小的原子簇的电子组件的电导率和其他属性。

该团队还开发了一种新技术,用于与埋藏原子进行电接触的关键步骤,从而使它们可以作为电路的一部分运行。科学家们轻轻地加热了一层钯金属,该金属层施加在硅表面特定区域上,该区域直接位于嵌入式硅器件的选定组件上方。加热的钯与硅发生反应,形成称为硅化钯的导电合金,该合金自然穿透硅并与磷原子接触。

研究人员说,他们的这种方式的成功率接近100%,这是一项关键成就,“您可以拥有世界上最好的单原子晶体管器件。”

研究人员证明了他们可以精确地控制单个电子穿过单电子晶体管中原子精确的隧道势垒的速率,制造一系列单电子晶体管,除了隧穿间隙的大小不同外,它们在各个方面都相同。对电流的测量表明,通过将晶体管组件之间的间隙增加或减小不到1纳米(十亿分之一米),该团队可以以可预测的方式精确地控制单个电子通过晶体管的流动。

研究人员指出,由于量子隧穿对于任何量子器件都至关重要,包括构造量子位,因此一次控制一个电子流的能力是一项重大成就。”此外,随着工程师在微型计算机芯片上封装越来越多的电路并且组件之间的间隙不断缩小,理解和控制量子隧穿的影响将变得更加关键。这种单原子晶体管的创新将可能使量子计算机具有无与伦比的内存和处理能力。

该最新科学研究成果发表在今天的《高级功能材料》杂志上。该研究团队及论文作者中,有两位中国学者,一个为论文第二作者王西乔(Xiqiao Wang),一位为刘可宜(Keyi Liu)。