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原子量子电子设备世界最小晶体管问世:仅由7个原子构成

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据物理学家组织网报道,美国与澳大利亚科学家成功制造出世界上最小的晶体管——由7个原子在单晶硅表面构成的一个“量子点”,标志着我们向计算能力的新时 代迈出了重要一步。

   量子点(quantum dot)是纳米大小的发光晶体,有时也被称为“人造原子”。虽然这个量子点非常小,长度只有十亿分之四米,但却是一台功能健全的电子设备,也是世界上第一 台用原子故意造出来的电子设备。它不仅能用于调节和控制像商业晶体管这样的设备的电流,而且标志着我们向原子刻度小型化和超高速、超强大电脑新时代迈出的 重要一步。

   澳大利亚新南威尔士大学量子电脑技术中心(CQCT)和美国威斯康星大学麦迪逊分校研究人员组成的一个联合小组在最新一期的《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上详细描述了这一发现。参与这项研究的量子电脑技术中心主任米歇尔-西蒙斯(Michelle Simmons)教授说:“这项成就的重要性在于,我们不是令原子活动或是在显微镜下观测原子,而是操纵单个原子,以原子精度将其置于表面,以制造能工作的电子设备。”

   “澳大利亚研究小组已可以完全利用晶体硅制造电子设备,我们在晶体硅上面用磷原子替换了7个硅原子,并达到了惊人的精确度。这是重大的科技成就,是表明制造‘终极电脑’(用硅原子制造的量子电脑)可行性的关键一步。”将原子置于某个物体表面的技术——扫描隧穿显微镜——已问世二十年之久。在此之前,没人能利用该技术去制造原子精度的电子设备,然后令其处理来自微观世界的电子输入。

   西蒙斯教授说:“电子设备究竟能有多小?我们正在验证它的极限。澳大利亚的第一台电脑在1949年上市,它占据了整个房间,你只能用手拿着零部件。今天,你可以将电脑放在手掌上,许多零部件的直径甚至只是一根头发直径的千分之一。”

   “现在我们已经展示了世界上第一台用硅材料在原子刻度下系统性制造的电子设备。这不仅对电脑用户具有特别的意义,对所有澳大利亚人来说都极为重要。过去50年来,电子设备小型化一直是驱动全球经济生产率快速增长的关键因素。我们的研究表明,这个进程仍可以继续。”

   美澳联合研究小组的主要目标是用硅原子制造量子电脑,澳大利亚人在该领域拥有独一无二的人力资源,同时处于世界领先地位。这台新电子装置表明,实现设备在原子刻度下制造和测量的技术已经开始来临。

   目前,商业晶体管闸极(transistor gate,该装置可令晶体管充当电流的放大器或开关)的长度约为40纳米(1纳米相当于十亿分之一米),量子电脑技术中心的研究团队正在开发长度仅为 0.4纳米的设备。

   西蒙斯教授指出,20年前,唐-艾格勒(Don Eigler)和埃哈德-施魏策尔(Erhard Schweizer)在IBM公司的阿尔马登研究中心,用氙原子造出了IBM公司的标识,这也是当时世界上最小的标识。二人利用一台扫描隧穿显微镜,将 35个氙原子置于镍表面,拼出了“IBM”三个字母。

   艾格勒和施魏策尔的研究论文发表于《自然》杂志上,他们写道:“设备小型化的基本原理是显而易见的”。二人还在论文中多次提出警告,并在最后总结说:“原子刻度的逻辑电路和其他设备的前景距离我们有些遥远。”西蒙斯教授说:“当时看似遥远的事情如今变成了现实。我们利用这种显微镜不仅可以观测或熟练操作原子,还能用7个原子制造原子精度的设备,令其在真实的环境中工作。”

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