科學家打造「單原子電晶體」

Scientists build 'single-atom transistor'
http://www.physorg.com/news179331125.html

December 6, 2009

(PhysOrg.com) -- 來自芬蘭 Helsinki 科技大學、澳洲 New South Wales 大學與 Melbourne 大學的研究者，成功地打造出一套可運作的電晶體，其工作區（active region）僅由矽中單一一個磷（phosphorus）原子構成。這項研究剛發表在 Nano Letters 上。

該裝置的工作原理是基於單一電子在磷原子與該電晶體之源極、汲極導線間的接續穿隧（sequential tunneling，依序穿隧）。藉由控制鄰近金屬電極（寬度僅幾十分之一奈米）的電壓，能抑制或允許這種穿隧（效應）。

電腦的迅速發展，那創造出目前的資訊社會，主要基於電晶體尺寸的縮減。我們早已知道，這種發展在未來數十年間會嚴重減緩，到那時即使是更緊密、廉價的電晶體封裝也都會要求它們縮小到原子長度的尺度。在這個最近開發的電晶體中，所有電流均通過同一個原子。這使我們能研究在電晶體尺寸的極端限制中所產生的效應。

"大約一年半前，當我與這項研究的另一位領導者，Prof. Andrew Dzurak，預料，單原子電晶體將被製造出來時，受到質疑。我們相視而笑，並表示，我們已經在進行了，" Dr. Mikko Mottonen 說。"事實上，我們的目的並非為古典電腦建造最微小的電晶體，而是量子位元，那將成為目前正在世界各地開發之量子電腦的心臟，" 他繼續說。

當電晶體的尺寸朝終極限制縮減時會產生問題，因為所謂的量子力學效應會浮現。一方面，這些效應預期會挑戰慣常電晶體的操作。在另一方面，它們允許古典上的荒謬行為，原則上，那能受到駕馭，進行概念上更有效率的運算，量子運算。

報告背後的驅使力量，現在是「將磷予體（donor，給體、施體）的一個電子之自旋自由程度（spin degree of freedom）當作一個量子位元（qubit）利用」這個概念。這些研究者首度能在他們的試驗中觀察單個磷予體的自旋上與下狀態。這是朝控制這些狀態（即，量子位元的實現）邁進，相當關鍵的一步。

※ 相關報導：

＊ Transport Spectroscopy of Single Phosphorus Donors in a Silicon Nanoscale Transistor
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl901635j

Kuan Yen Tan, Kok Wai Chan, Mikko Mttnen, Andrea Morello,
Changyi Yang, Jessica van Donkelaar, Andrew Alves,
Juha-Matti Pirkkalainen, David N. Jamieson, Robert G. Clark
and Andrew S. Dzurak
Nano Lett., Article ASAP, December 1, 2009
doi: 10.1021/nl901635j

＊ 未來電子學：使用量子化電流驅動的奈米裝置
＊ 由千億個電子自旋所構成的量子電腦
＊ 控制電子自旋的新技術：彈道自旋共振
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