Chế tạo thành công transistor một nguyên tử

Các nhà nghiên cứu ở Australia vừa chế tạo ra một con transistor đơn nguyên tử bằng cách cấy một nguyên tử cho phosphorus bên trong một mẩu silicon với độ chính xác không gian một nút mạng. Nghiên cứu dựa trên công trình trước đó cũng của nhóm này cho phép chế tạo những điện cực cỡ nguyên tử. Trong khi con transistor trên hiện nay có thể giúp người ta tiếp tục thu nhỏ hơn nữa các linh kiện điện tử cổ điển, các nhà nghiên cứu hi vọng trong tương lai dụng cụ của họ sẽ giúp phát triển một máy vi tính lượng tử hoạt động được.

Định luật Moore

Transistor về cơ bản là một công tắc kích hoạt bằng điện tử và là linh hồn của mọi máy điện toán. Không có nó, các bộ xử lí sẽ không thể thực hiện những phép tính lôgic cần thiết của chúng. Định luật Moore, mang tên người sáng lập hãng Intel, Gorden E Moore, dự đoán rằng số lượng transistor có thể cấy ghép vào một mạch tích hợp thương mại sẽ tăng lên gấp đôi trong khoảng chừng hai năm một lần. Khi Moore đưa ra dự đoán của ông hồi năm 1965, ông dự đoán rằng nó sẽ chỉ đúng cho đến năm 1975, theo như ông đề xuất thì vào năm đó sẽ có khoảng 65.000 transistor trên mỗi con chip. Trên thực tế, định luật Moore tỏ ra chính xác lạ thường và vẫn đúng cho đến ngày nay, khi đã có hàng tỉ transistor trên mỗi con chip. Tuy nhiên, việc tiếp tục thu nhỏ con chip đòi hỏi phải phát triển những kĩ thuật chế tạo mới và – để cho định luật Moore tiếp tục còn đúng – các dụng cụ sẽ phải đạt tới cỡ một nguyên tử vào khoảng năm 2020.

Trong nghiên cứu trước đây, nhóm nghiên cứu của Michele Simmons tại trường Đại học New South Wales ở Sydney đã phát triển một kĩ thuật cho phép người ta chế tạo ra những dây nguyên tử bên trong các tinh thể silicon nguyên khối bằng cách loại bỏ có chọn lọc những đường một nguyên tử silicon và thay thế chúng bằng nguyên tử phosphorus. Phosphorus có nhiều hơn silicon một electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nó, nên việc thay thế một nguyên tử silicon bằng một nguyên tử phosphorus bên trong tinh thể silicon tạo ra một electron tự do trong chất liệu và làm tăng độ dẫn điện cục bộ. Đội nghiên cứu đã sử dụng kĩ thuật này để xây dựng những điện cực transistor cỡ nano trong tinh thể. Sau đó, họ cấy một nguyên tử phosphorus vào chính giữa transistor đó. Kết quả là một phiên bản cỡ nguyên tử của một transistor hiệu ứng trường.

Ảnh hiển vi chui hầm quét phối cảnh 3D của một bề mặt silicon đã hydro hóa. Nguyên tử phosphorus sẽ nhập vào những vùng tô màu đỏ. Ảnh: Martin Fuechsle.

Transistor lượng tử

Dòng điện đi qua giữa cực nguồn và cực máng của một FET cổ điển tăng nhẹ theo điện áp giữa cực cổng và cực máng. Nhưng FET cỡ nguyên tử do nhóm New South Wales chế tạo (cùng với các đồng nghiệp tại trường Đại học Melbourne, Viện Thông tin Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc và trường Đại học Indiana ở Mĩ) hành xử theo một kiểu cơ lượng tử, chỉ trở nên dẫn điện khi hiệu điện thế khớp chính xác với một trong các mức năng lượng của nguyên tử phosphorus. “Bạn làm thay đổi thế trên cực cổng và khi bạn làm thay đổi điện thế đó bạn sẽ chạm tới các mức năng lượng của dụng cụ,” Simmons giải thích. “Bạn đi từ dẫn điện sang cách điện, đến dẫn điện đến cách điện khi bạn đi qua các mức năng lượng nguyên tử của dụng cụ đơn nguyên tử đó.”

Laptop đông lạnh và máy vi tính lượng tử

Nhà vật lí và kĩ sư điện David Ferry tại trường Đại học Arizona ở Tempe, Mĩ, tin rằng nghiên cứu trên là “một ví dụ hấp dẫn nữa của việc chế tạo một cấu trúc rất nhỏ và thử nghiệm đặt các nguyên tử phosphorus nơi họ muốn có chúng trên một bề mặt”. Nhưng ông thắc mắc không biết một transtor chỉ có thế mang một electron mỗi lần sẽ có khả năng chạy đủ nhanh để sử dụng trong công nghiệp điện tử hay không. Cũng có những khó khăn khác đi cùng với dụng cụ trên, ví dụ nó chỉ hoạt động với nhiệt độ rất thấp. Như Ferry nói: “Tôi không nghĩ bạn muốn mang theo bên mình cái laptop được giữ ở nhiệt độ helium lỏng.”

Simmons đồng ý rằng công nghệ trên hiện không tương thích với công nghiệp. “Thật ra nó chỉ là một thử nghiệm của công nghệ”, bà nói. “Bạn có thể đẩy lùi các giới hạn bao xa để chế tạo một dụng cụ cỡ nguyên tử? Khả năng ứng dụng lâu dài của nó đối với ngành công nghiệp truyền thống là hoàn toàn chưa rõ; nó chỉ mang lại một vạch mốc trong cát rằng có một công nghệ có khả năng chế tạo như vậy.”

Quan tâm chính của nhóm nghiên cứu là sử dụng transistor trên để nghiên cứu các mức năng lượng của nguyên tử phosphorus bên trong mạng tinh thể silicon, cái họ hi vọng dùng làm các qubit trong máy tính lượng tử. “Đây là một transistor mà chúng tôi thiết kế ra để chúng tôi có thể khảo sát các mức năng lượng đó và kiểm tra xem chúng tôi có thống nhất với cái đã được lí thuyết dự đoán hay không thôi,” Simmons nói. “”Trong máy tính, các nguyên tử phosphorus về cơ bản sẽ tương tác với một nguyên tử khác trong mạng. Đối với dụng cụ đó, bạn không nhất thiết phải có các cực nguồn và cực máng như bạn thấy có ở một transistor thông thường.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn