Mooresches Gesetz überholt Forscher bauen Transistor aus nur einem Atom

Kleiner geht es nicht: Ein internationales Forscherteam hat einen Transistor präsentiert, der mit nur einem Atom umschaltet. Es wäre das kleinstmöglichste Bauteil für Computerchips. Die Wissenschaftler haben damit auch eine berühmte Vorhersage der Computertechnik um Jahre unterboten. 

Atom-Transistor (Rastertunnelmikroskop-Aufnahme): Der rote Punkt in der Mitte ist das Phosphoratom, die Elektroden sind ebenfalls rot dargestellt
dapd/ Centre for Quantum Computation and Communication

Atom-Transistor (Rastertunnelmikroskop-Aufnahme): Der rote Punkt in der Mitte ist das Phosphoratom, die Elektroden sind ebenfalls rot dargestellt


Kleiner kann ein Transistor nicht mehr werden: Forscher haben das elektronische Bauelement so konstruiert, dass der Strom mit nur einem einzelnen Phosphoratom geschaltet wird. Das Team um Martin Fuechsle von der University of New South Wales im australischen Sydney schränkt allerdings ein, dass es noch Jahre dauern dürfte, bis ihre Technik den Weg in die Praxis findet.

Transistoren sind die Universalelemente der Mikroelektronik - je mehr davon auf derselben Fläche untergebracht werden können, desto leistungsfähiger ist ein Chip. Laut dem vom Mitbegründer des Chip-Konzerns Intel aufgestellten Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Computerchip auf derselben Fläche alle 18 Monate - manchmal werden auch 24 Monate genannt und, um es noch etwas unübersichtlicher zu machen, sprach Moore anfänglich von zwölf Monaten. Allgemeiner formuliert meinte Gordon Moore mit seiner Ansage im Jahr 1965, dass sich die Komplexität der Schaltkreise in diesem Zeitraum verdopple.

Der Prognose zufolge müsste die Chip-Industrie etwa im Jahr 2020 Transistoren aus einzelnen Atomen produzieren - danach ist Schluss. Weiter können die Schaltelemente dann aus physikalischen Gründen nicht schrumpfen.

Phosphor-Atom exakt platziert

Mit ihrer Veröffentlichung im Fachmagazin "Nature Nanotechnology" ist das internationale Forscherteam - mitgearbeitet haben auch Wissenschaftler aus Südkorea und den USA - dem Gesetz von Moore also einige Jahre voraus. "Wir haben vor zehn Jahren dieses Programm begonnen, um Ein-Atom-Transistoren so schnell umzusetzen, wie wir können, und zu versuchen, dieses Gesetz zu unterbieten", sagt die an der Entwicklung beteiligte Forscherin Michelle Simmons. "Jetzt haben wir 2012, und wir haben einen Ein-Atom-Transistor hergestellt - ungefähr acht bis zehn Jahre bevor die Industrie so weit sein wird", meint die Professorin der University of New South Wales.

Eine echte Premiere liegt allerdings nicht vor: Schon 2004 haben Forscher an der damaligen Universität Karlsruhe, die inzwischen im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) aufgegangen ist, einen Ein-Atom-Transistor entwickelt. Das Team um den Australier Fuechsle hat nun ein anderes Verfahren angewandt, eine Kombination aus Lithografie und Rastertunnelmikroskop. Mit dem Rastertunnelmikroskop platzierten die Forscher das Phosphoratom zentral zwischen vier Elektroden und umgaben das Ganze mit einer Siliziumschicht.

Bauteil für einen Quantencomputer?

Um die gewünschten Transistoreigenschaften zu erzielen, muss das Phosphoratom dabei auf einen halben Nanometer genau eingesetzt werden - das entspricht rund einem Hunderttausendstel der Dicke eines menschlichen Haars. Anschließende Tests zeigten, dass sich das Phosphoratom wie ein sogenannter Feldeffekt-Transistor (FET) verhält: Wird an den beiden Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, lässt sich über die Stärke dieser Spannung der Stromfluss durch das Phosphoratom steuern. Auf diese Weise arbeitet ein Feldeffekt-Transistor.

Die Forscher sehen ihre Konstruktion als wichtigen Schritt auf dem Weg zu atomaren Silizium-Transistoren. Die winzigen Bauteile würden perfekt in Quantencomputer passen, von denen Forscher weltweit träumen.

Bis der australische Nanotransistor in Alltagsgeräten eingesetzt werden kann, müssen die Wissenschaftler allerdings noch eine Reihe von Hürden nehmen. So arbeitet der Prototyp beispielsweise nur bei Temperaturen von rund minus 270 Grad Celsius, nahe dem absoluten Nullpunkt der Temperatur.

Bauteile auf Nano-Ebene haben Forscher allerdings schon in einigen Laboren zum Laufen gebracht. So berichteten niederländische Wissenschaftler von einem Auto, das nur aus einem Molekül besteht und US-Chemiker präsentierten einen molekularen Motor.

wbr/dpa



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