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Energie-Effizienz in der Informationstechnologie Weltkleinster Transistor schaltet Strom mit einzelnem Atom in festen Elektrolyten

Redakteur: Ulrike Ostler

Als „weltweit kleinsten Transistor“ hat der Physiker Professor Thomas Schimmel mit seinem Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) den Einzelatom-Transistor entwickelt. Das ist ein quantenelektronisches Bauelement, das elektrischen Strom über das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms schaltet. Das funktioniert auch im festen Zustand in einem Gel-Elektrolyten.

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Der Einzelatom-Transistor, der in einem Gel-Elektrolyten funktioniert, erreicht die Grenze der Miniaturisierung.
Der Einzelatom-Transistor, der in einem Gel-Elektrolyten funktioniert, erreicht die Grenze der Miniaturisierung.
(Bild: Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT)

Der Einzelatom-Transistor arbeitet bei Raumtemperatur und verbraucht für heutige Verhältnisse „extrem wenig“ Energie. Und das eröffnet ganz neue Perspektiven für die Informationstechnologie, heißt es in einer Mitteilung des KIT. In der Zeitschrift „Advanced Materials“ stellen die Wissenschaftler den Transistor vor (s.u.).

Die Digitalisierung bedingt einen enormen Energiebedarf: In Industrieländern ist die Informationstechnologie derzeit für mehr als zehn Prozent des Stromverbrauchs verantwortlich. Zentrales Element der digitalen Datenverarbeitung ist der Transistor, ob in Rechenzentren, PCs, Smartphones oder in eingebetteten Systemen für viele Anwendungen von der Waschmaschine bis zum Flugzeug. Auf einem aktuell für wenige Euro erhältlichen USB-Speicherstick befinden sich bereits mehrere Milliarden Transistoren.

Der von Professor Schimmel und seinem Team am Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT entwickelte Einzelatom-Transistor könnte künftig erheblich zur Energie-Effizienz in der IT beitragen: Der Physiker und Nanotechnologie-Experte Schimmel, der am APH, am Institut für Nanotechnologie (INT) und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT forscht, sagt: „Mit diesem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um einen Faktor 10 000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen.“ Seit diesem Jahr ist Professor Schimmel, der als Pionier der Einzelatom-Elektronik gilt, zudem Co-Direktor des Center for Single Atom Electronics and Photonics, eines gemeinsamen Zentrums des KIT und der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich.

Der neue Ansatz

Mit dem Einzelatom-Transistor haben die Forscher am KIT einen technologisch völlig neuen Ansatz verwirklicht: Der Transistor besteht ausschließlich aus Metall und kommt ohne Halbleiter aus. Die Folge sind extrem niedrige elektrische Spannungen und damit ein extrem niedriger Energieverbrauch.

Bisher war der Karlsruher Einzelatom-Transistor auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen. Nun hat Thomas Schimmel mit seinem Team erstmals einen Transistor hergestellt, der in einem festen Elektrolyten funktioniert: Der durch Gelieren eines wässrigen Silberelektrolyten mit pyrogenem Siliziumdioxid entstandene Gel-Elektrolyt verbindet die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und verbessert damit sowohl die Sicherheit als auch die Handhabung des Einzelatom-Transistors.

In der Zeitschrift Advanced Materials präsentieren die Karlsruher Forscher den Transistor, der die Grenze der Miniaturisierung erreicht. Die Wissenschaftler haben dafür zwei winzige Metallkontakte gefertigt, zwischen denen eine Lücke in der Breite eines einzigen Metallatoms besteht.

Das Silberatom

„Über einen elektrischen Steuerimpuls schieben wir ein einziges Silberatom in diese Lücke – der Stromkreis ist geschlossen“, erläutert Professor Schimmel. „Schieben wir das Silberatom wieder heraus, ist der Stromkreis unterbrochen.“

Der kleinste Transistor der Welt schaltet Strom also über die kontrollierte reversible Bewegung eines einzigen Atoms. 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 und das ist ein entscheidender Vorteil für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.

Die Originalpublikation:Fangqing Xie, Andreas Peukert, Thorsten Bender, Christian Obermair, Florian Wertz, Philipp Schmieder, and Thomas Schimmel: Quasi-Solid-State Single-Atom Transistors. Advanced Materials. Adv. Mater. 2018, 30, 1801225. DOI: 10.1002/adma.201801225

(ID:46530156)