EIN-ATOM-TRANSISTOREN

Was? 

Ein-Atom-Transistoren sind die ultimative Verkleinerung des grundlegenden Schalters jeder Elektronik. Während herkömmliche Computerchips Milliarden winziger, aber komplex aufgebauter Transistoren enthalten, besteht hier das gesamte Schaltelement aus einem einzigen Metallatom. Dieses Atom verbindet oder trennt zwei Kontaktspitzen und schaltet so den Strom – ganz ähnlich wie ein Lichtschalter, nur eben im atomaren Maßstab. Forschungsteams haben bereits funktionsfähige Prototypen präsentiert, die bei Raumtemperatur zuverlässig Tausende Schaltzyklen durchlaufen. Gelingen weitere Fortschritte, könnten künftige Smartphones, Sensoren oder Implantate auf Stecknadelkopfgröße schrumpfen und dabei noch erheblich energieärmer arbeiten.
 

Wofür? 

Ein-Atom-Transistoren haben das Potenzial, die Elektronik grundlegend zu verändern. Sie können verwendet werden, um extrem kleine und energieeffiziente elektronische Bauteile zu entwickeln. Im Gegensatz zu früheren, hochspezialisierten Entwürfen funktionieren aktuelle Prototypen bei Raumtemperatur, was ihre Anwendung deutlich vereinfacht und kosteneffizienter macht. Diese Transistoren könnten in der Entwicklung von hochpräzisen Sensoren, extrem kleinen Computern und anderen elektronischen Geräten eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus könnten sie in der Quanteninformatik sowie bei der Entwicklung neuer Technologien zur Datenverarbeitung und -speicherung eingesetzt werden.
 

Wie?

Ein-Atom-Transistoren kann man sich vereinfacht als winzige Lichtschalter vorstellen. Zwischen zwei Metallkontakten liegt ein extrem schmaler Spalt, in dem genau ein Atom sitzt. Umgeben ist die gesamte Struktur von einem Elektrolyten – einer flüssigen oder festen, salzähnlichen Substanz mit frei beweglichen Ionen. Legt man eine geringe Spannung an, wandern diese Ionen unter dem elektrischen Feld und schieben das Atom in den Spalt, sodass eine leitende Brücke entsteht und der Strom fließt: Der Schalter steht auf „Ein“. Kehrt man die Spannung um, bewegen sich die Ionen zurück, das Atom rutscht wieder heraus, die Brücke reißt ab und der Stromweg ist unterbrochen: Der Schalter steht auf „Aus“. Die Möglichkeit, einen festen Elektrolyten (in Form eines Gels) zu nutzen, verbessert dabei sowohl die Sicherheit als auch die Handhabung von Ein-Atom-Transistoren.
 

Ausblick 

Ein-Atom-Transistoren lassen sich im Labor bereits zuverlässig ein- und ausschalten. Für die Serienfertigung fehlt jedoch noch die Kombination aus atomgenauer Platzierung, langzeitstabilen Materialien und industriegerechten Prozessschritten. Erst wenn die Schaltatome mit hoher Verlässlichkeit positioniert werden und die Kontakte bei Raumtemperatur dauerhaft rauscharm bleiben, wird die Technologie attraktiv für Anwendungen. Gelingt dieser Sprung und die Übertragung von Einzelversuchen auf ganze Wafer, werden Bauteile möglich, die extrem wenig Energie verbrauchen, unerreichte Speicherdichten bieten und sogar in winzige Sensor-Implantate passen. Langfristig könnten solche Schalter als ultrapräzise Steuergatter für Quantenprozessoren die nächste Generation der Informationstechnik prägen.

Diese Inhalte stammen aus den "Technologie-Steckbriefen", die das Fraunhofer ISI in Modul 1