美國國家標準技術研究院（NIST）的研究人員與馬裡蘭大學合作，開發出進行原子級控制的新型單原子電晶體以生產原子級裝置，可以精確地調整單個電子流過其電晶體中的物理間隙或電子勢壘的速率，儘管經典物理學會禁止電子這樣做，因為它們缺乏足夠的能量。這種嚴格的稱為量子隧穿的量子現象僅在間隙極小，例如在微型電晶體中時才變得重要。精確控制量子隧穿是關鍵，因為它使電晶體能夠以僅通過量子力學可能的「糾纏」方式互連，並為創建可用於量子計算的量子位（qubit）開闢了新的可能性。
為了製造單原子和少量原子的電晶體，該團隊依靠一種已知的技術，即在矽晶片上覆蓋一層容易與矽結合的氫原子。然後，掃描隧道顯微鏡的細小尖端去除了選定位置的氫原子。剩餘的氫起到了屏障的作用，因此當將磷化氫氣體（PH3）引導到矽表面時，單個的磷化氫分子僅附著在氫被去除的位置。具體工藝製造過程如下面動畫視頻所示。
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研究人員加熱了矽表面。熱量從磷化氫釋放出氫原子，並使殘留的磷原子嵌入表面。通過額外的處理，鍵合的磷原子為一系列可能用作量子位的高度穩定的單原子或少數原子裝置奠定了基礎。
研究人員認為，由這種設計的方法中的兩個步驟：用矽的保護層密封磷原子，然後與嵌入的原子進行電接觸，對於可靠地製造許多原子精確的器件來說，這似乎是必不可少的。
過去，研究人員通常在所有矽層都生長時施加熱量，以消除缺陷並確保矽具有將單原子器件與常規矽晶片電子組件集成在一起所需的純晶體結構。但是該研究團隊發現，這種加熱可能會使結合的磷原子脫落，並可能破壞原子級裝置的結構。取而代之的是，在室溫下沉積了前幾個矽層，從而使磷原子得以保留。只有在隨後的層被沉積時，才施加熱量。
研究人員說：「我們相信，我們使用這些層的方法可以提供更穩定，更精確的原子級設備。」甚至沒有單個原子都可以改變具有單個或小的原子簇的電子組件的電導率和其他屬性。
該團隊還開發了一種新技術，用於與埋藏原子進行電接觸的關鍵步驟，從而使它們可以作為電路的一部分運行。科學家們輕輕地加熱了一層鈀金屬，該金屬層施加在矽表面特定區域上，該區域直接位於嵌入式矽器件的選定組件上方。加熱的鈀與矽發生反應，形成稱為矽化鈀的導電合金，該合金自然穿透矽並與磷原子接觸。
研究人員說，他們的這種方式的成功率接近100％，這是一項關鍵成就，「您可以擁有世界上最好的單原子電晶體器件。」
研究人員證明了他們可以精確地控制單個電子穿過單電子電晶體中原子精確的隧道勢壘的速率，製造一系列單電子電晶體，除了隧穿間隙的大小不同外，它們在各個方面都相同。對電流的測量表明，通過將電晶體組件之間的間隙增加或減小不到1納米（十億分之一米），該團隊可以以可預測的方式精確地控制單個電子通過電晶體的流動。
研究人員指出，由於量子隧穿對於任何量子器件都至關重要，包括構造量子位，因此一次控制一個電子流的能力是一項重大成就。」此外，隨著工程師在微型計算機晶片上封裝越來越多的電路並且組件之間的間隙不斷縮小，理解和控制量子隧穿的影響將變得更加關鍵。這種單原子電晶體的創新將可能使量子計算機具有無與倫比的內存和處理能力。
該最新科學研究成果發表在今天的《高級功能材料》雜誌上。該研究團隊及論文作者中，有兩位中國學者，一個為論文第二作者王西喬（Xiqiao Wang），一位為劉可宜（Keyi Liu）。