Denkbar kleinster Schalter für elektrische Ströme

Bild: John Ulan
Professor Robert Wolkow entwickelte eine Technik für das Schalten von Einatom-Kanälen.

Wenn es um die Handhabe von extrem schnellen und ultrakleinen Dingen geht, ist Robert Wolkow gewiss kein Unbekannter. Er ist ein Pionier in der Nanowissenschaft.

Zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut in Hamburg veröffentlichte das Wolkow-Team Details darüber, wie man einen Atomschalter für Elektrizität realisiert, der gegenüber den derzeit benutzten Schaltern erheblich kleiner ist.

Was bedeutet das? Für Applikationen in praktischen Systemen, wie Elektronik aus Siliziumhalbleitern, bedeutet es kleinere, effizientere und energiesparende Computer - nur ein Beispiel für die Technologierevolution, die sich direkt vor unseren Augen abspielt (sofern man derart genau hinschauen kann).

"Dieses ist das erste Mal, dass jemand das Schalten eines Einatom-Kanals gesehen hat", sagte Physikprofessor Robert Wolkow von der University of Alberta und Principal Research Officer des kanadischen 'National Institute for Nanotechnology'.

"Sie haben sicherlich von einem Transistor gehört, einem Elektrizitätsschalter. Nun, unsere Schalter sind fast 100-mal kleiner als die kleinsten derzeit erhältlichen Schalter am Markt."

Die heute kleinsten Transistoren basieren auf der 14-nm-Technologie, die immer noch Tausende von Atomen repräsentiert. Wolkows Team und der Spin-off 'QSi' verbesserten diese Technologie bis hinunter auf wenige Atome.

Da Computer lediglich eine Komposition von vielen Ein-Aus-Schaltern sind, zeigen diese Forschungsergebnisse nicht nur in die Richtung ultraeffizienter Computer, sondern bieten auch einen neuen Pfad zu Quantencomputern.

Wolkow: "Wir realisieren mit dieser Technologie ultragrüne und energiesparende Allzweckcomputer, aber wir helfen auch bei der Entwicklung von Quantencomputern weiter. Wir bauen die am meisten energiesparende Elektronik, die gegenüber der heutigen Elektronik etwa 1000-mal weniger Energie verbraucht."

Unsere Elektronik verbraucht derzeit mehrere Prozente der weltweiten Elektrizität. Da sich der Energiefußabdruck der Digitalwirtschaft stetig erhöht, kommt der Einsparung von Material und Energie eine hohe Bedeutung zu.

Laut Wolkow gibt es bei der Verkleinerung überraschende Vorteile sowohl für normale Computer als auch für Quantencomputer. "Quantensysteme sind durch ihre delikate Informationsspeicherung gekennzeichnet. Sie lassen sich besonders leicht stören. Jedoch, je kleiner das System wird, desto weniger Unruhe gibt es."

Damit, so Wolkow, kann man ein System aufbauen, das simultan erstaunlich klein ist, weniger Material verbraucht und weniger Energie bewegt, jedoch Informationen gerade richtig speichert.

Sobald die neue Technologie voll entwickelt ist, führt sie nicht nur zu einem kleineren Fußabdruck der Energie, sondern auch zu günstigeren Systemen für die Benutzer. Wolkow und sein Team arbeiten zusammen mit der Firma Lockheed Martin, die einen Einstiegspunkt in die Märkte darstellt.

Unter dem Titel "Time Resolved Single Dopant Charge Dynamics in Silicon" erschien der Forschungsbericht in "Nature Communications".

Jacob A. J. Burgess und Sebastian Loth vom 'MPI für Struktur und Dynamik der Materie' in Hamburg sind Koautoren dieses Forschungsberichtes. Dr. Sebastian Loth leitet dort eine unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe zum Thema „Dynamik Nanoelektronischer Systeme“, die sich thematisch in die Abteilung „Dynamik kondensierter Materie“ des Direktors Andrea Cavalleri eingliedert. Jacob Burgess ist Postdoktorand in Sebastian Loths Gruppe.

Loth: "In meinem Labor am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD, http://mpsd-cmd.cfel.de/dnes/index.html) und dem Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg untersuchen wir die kleinsten und schnellsten Prozesse in Magneten. Dazu entwickeln wir neuartige Mikroskopiemethoden, die in die Welt einzelner Atome vordringen und ultraschnelle Quantenprozesse beobachten können."

"Zusammen mit Professor Bob Wolkows Forschergruppe haben wir unsere ultraschnellen Mikroskopiemethoden erfolgreich auf ein neues Materialsystem anwenden können, das für die Halbleitertechnologie hochrelevant ist,“ erklärt Jacob Burgess, der federführende Wissenschaftler in der erfolgreichen Kooperation mit dem kanadischen 'National Institute for Nanotechnology'.

"Die Fähigkeit, elektrischen Strom auf atomarer Skala zu schalten, eröffnet großartige Möglichkeiten. Unter anderem konnten wir messen, mit welcher Geschwindigkeit sich einzelne Dotieratome in Silizium laden und entladen lassen. Diese Zeitskalen zu verstehen, ist unerlässlich, um das technologische Potenzial von Einzelatomschaltkreisen auszuloten."

- von wr
 
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