晶片領域的好消息，科學家發明了製造單原子電晶體的新方法

難以想像的是，僅由幾個原子團甚至單個原子組成的電晶體有望成為新一代計算機的組成部分，它們具有無與倫比的內存和處理能力。但要充分發揮這些微型電晶體（微型電子開關）的潛力，研究人員必須找到一種方法，對這些眾所周知難以製造的元件進行大量複製。

現在，美國國家標準技術研究所（NIST）和馬裡蘭大學的研究人員已經逐步開發出一種可以生產原子尺度裝置的方法。至此，NIST領導的團隊成為了世界上第二個建造單原子電晶體的團隊，也成為了第一個對器件的製造在幾何尺寸上進行原子級控制的單電子電晶體團隊。

科學家們證明，他們可以精確地調整單個電子通過電晶體中物理間隙或電勢壘的速度，即使經典物理學因為電子缺乏足夠的能量而禁止它這樣做。這種嚴格意義上的量子現象被稱為量子隧穿，只有當間隙非常小時才變得重要，例如在微型電晶體中。精確控制量子隧穿是關鍵，因為它能使電晶體變得「糾纏」或以只有通過量子力學才能實現的方式互連，並為創造可用於量子計算的量子比特開闢新的可能性。

為了製造單原子和少原子電晶體，研究小組依賴於一種已知的技術，即在矽晶片上覆蓋一層很容易與矽結合的氫原子。然後，用掃描隧道顯微鏡的細針尖移除選定位置的氫原子。剩下的氫起到了屏障的作用，因此當研究小組將磷化氫氣體（PH3）導向矽表面時，單個PH3分子只附著在氫被移除的位置。研究人員隨後加熱矽表面，熱量將氫原子從PH3中噴射出來，使留下的磷原子嵌入到表面。通過附加的處理，結合的磷原子產生了一系列高度穩定的單原子或少原子器件，並且它們具有作為量子比特的潛力。

過去，研究人員通常在所有矽層生長的過程中加熱，以消除缺陷並確保矽具有將單原子器件與傳統矽片電子元件集成所需的純晶體結構。但NIST的科學家發現，這種加熱可能會使結合的磷原子移位，並可能破壞原子尺度裝置的結構。相反，研究小組在室溫下沉積了前幾層矽，使磷原子保持原位。只有當隨後的層被沉積時，研究小組才開始加熱。

此外，研究小組還開發了一種新技術，用於與深埋的原子進行電接觸，以便它們可以作為電路的一部分工作。科學家們輕輕地加熱了一層鈀金屬層，該層鈀金屬應用於矽表面的特定區域，該區域位於嵌入矽器件選定組件的正上方。加熱後的鈀與矽反應形成一種稱為矽化鈀的導電合金，它自然地穿透矽並與磷原子接觸。這種接觸方法目前有將近100%的成功率。

在發表在《通信物理學》上的相關研究中，科學家們已經證明了他們可以精確地控制單個電子通過單電子電晶體中原子級精確隧穿勢壘的速率。NIST的研究人員製造了一系列的單電子電晶體，除了隧穿間隙的大小不同外，其他方面都是一樣的。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少不到一納米（十億分之一米），研究小組可以以可預測的方式精確控制單個電子通過電晶體的流量。

因為量子隧穿對任何量子器件都是非常重要的，包括量子比特的構造，所以一次控制一個電子的流動是一項重大的成就。此外，隨著工程師們將越來越多的電路封裝在微型計算機晶片上，元件之間的間隙不斷縮小，理解和控制量子隧穿效應將變得更加重要。

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