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Der kleinste Transistor der Welt: Ein einzelnes Silberatom schaltet Strom

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben einen Transistor entwickelt, der elektrischen Strom durch die Verschiebung eines einzelnen Atoms schaltet. Dass der Vorgang extrem wenig Energie verbraucht, macht ihn für Anwendungen in der Informationstechnologie interessant.

Einzelatom-Transistor Bildquelle: © Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT

Der Einzelatom-Transistor stellt das momentan in Sachen Miniaturisierung und Energieeffizienz Machbare dar, funktioniert bislang aber nur in einem Gel-Elektrolyten.

Transistoren finden sich als zentrale Elemente der digitalen Datenverarbeitung mittlerweile in allen Produktsegmenten. Der am Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT entwickelte Einzelatom-Transistor könnte künftig zur Energieeffizienz in der Informationstechnologie beitragen, so die Hoffnung.

Professor Schimmel vom Institut für Nanotechnologie (INT) und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT erklärt: »Mit diesem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um einen Faktor 10.000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen«. Schimmel, der als Pionier der Einzelatom-Elektronik gilt, wurde 2018 zum Co-Direktor des Center for Single Atom Electronics and Photonics berufen, eines gemeinsamen Zentrums des KIT und der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich.

Um an die Grenze der Miniaturisierung zu gelangen, haben die Forscher zwei winzige Metallkontakte gefertigt, zwischen denen eine Lücke in der Breite eines einzigen Metallatoms besteht. Schimmel: »Über einen elektrischen Steuerimpuls schieben wir ein einziges Silberatom in diese Lücke – der Stromkreis ist geschlossen. Schieben wir das Silberatom wieder heraus, ist der Stromkreis unterbrochen.«

Der Transistor schaltet Strom also über eine kontrollierte reversible Bewegung eines einzigen Atoms. Anders als konventionelle quantenelektronische Bauteile funktioniert der Einzelatom-Transistor nicht erst bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Er arbeitet bereits bei Raumtemperatur – ein Vorteil für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.

Der niedrige Energieverbrauch des Transistors ist dadurch zu erklären, dass er ausschließlich aus Metall und nicht aus Halbleitermaterial besteht. Deshalb kommt er mit extrem kleinen elektrischen Spannungen aus. Allerdings muss der Schaltvorgang noch in einem speziellen Medium stattfinden. War bis vor kurzem noch der Einsatz eines flüssigen Elektrolyten notwendig, so kam nun erstmals ein Gel-Elektrolyt zum Einsatz.