Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 28

Измерения проводятся при температуре 20 мК (температура жидкого гелия 4 К, а эта — в 200 раз меньше). Это очень низкие температуры, они достигаются откачкой паров жидкого гелия, и, к сожалению, без них наблюдать подобные эффекты нельзя. Это — главный недостаток конструкции. А достоинство заключается в том, что они создали сильно легированные3-4 нанометровые островки, то есть настолько маленькие, что уже наблюдаются квантовые резонансные эффекты в переносе носителей от истока к стоку.

Кроме того, они проанализировали эти резонансы и доказали, что атомы в этом островке расположены хаотично и образуют почти непрерывную зону уровней, через которую транспорт идёт даже лучше, чем ожидалось. Это очень важно, потому что обычный транзистор работает не на туннельном эффекте, а на преодолении барьера за счёт тепловой энергии носителей заряда (то есть термоэмиссионный ток) и за счёт инжекции из истока.

Их прибор работает на туннельном токе, который как минимум в 10 раз меньше, чем инжекционный, так как вероятность туннелирования экспоненциально сильно зависит от расстояния, а также от числа уровней, по которым возможно туннелирование. Получение большого тока — главная проблема туннельных приборов.

- Является ли этот транзистор шагом к созданию квантового компьютера?

- Да, является. В Австралии существует большая программа по созданию квантового компьютера, такие программы имеются во всём мире, в том числе и в России. Главная проблема заключается в том, чтобы точно, в заданном положении, расположить атомы примеси в твёрдом теле.

Например, в работе 2006 года эту проблему попробовали решить очень простым способом. Они просто имплантировали одиночные примесные атомы в готовые структуры, которые потом случайно обнаруживали.

Сейчас уже разработана специальная установка, которая имплантирует по одному атому. Такие установки дороги и сложны в изготовлении, и достоинство рассматриваемой работы в Nature в том, что авторы используют сканирующий туннельный микроскоп со сверхвысоким вакуумом, с помощью которого точно по заданному рисунку размещаются атомы фосфора на поверхности кремния.

- Расскажите про транзистор из одного атома.

- Первая работа с одним легирующим атомом была сделана в 2006 году и опубликована также в журнале Nature, авторство принадлежит сотрудникам университета Дельфта из Голландии. Они сделали транзистор с использованием всего одного примесного атома фосфора. Сейчас эта технология доведена до совершенства. Этим занимаются и австралийские и немецкие исследовательские центры, центры в США.

Исследователи давно работают со считанным количеством легирующих атомов на кремнии и транзисторными структурами, и пытаются делать приборы, подобные тем, что описаны в майской статье. Благодаря эффекту туннелирования можно сделать прибор из 1-3 атомов и получить при этом хорошие характеристики.

В процессе туннелирования задействовано большое количество электронов и один примесный атом, у которого есть возбужденные уровни. И через эти уровни можно заставить электроны туннелировать, это чисто квантовый эффект. Электрон проходит не над барьером, как в обычном транзисторе или в электронной лампе, а туннелирует под барьером. На этом же принципе основана работа транзистора, на который вы ссылаетесь.

Есть похожие разработки, в которых авторы также сумели приготовить очень чистую поверхность, потом они покрыли её водородом, обеспечив ей стабильность. Потом подвели туда туннельный микроскоп и сумели оторвать эти атомы водорода от поверхности. В результате получилась поверхность с большим количеством оборванных связей.

На самом деле уже 25 лет назад за такую работу была дана Нобелевская премия, именно за «выкладывание» атомов на поверхности. Учёные из научного центра IBM первые выложили буквы "I", "B" и "M". Они получили премию за создание такого сканирующего микроскопа. Поэтому сказать, что у австралийцев совсем новый подход, нельзя.

Но их заслуга заключается ещё и в том, что они смогли разместить атомы примеси очень близко друг к другу. Для чего нужно такое близкое расположение? Конечно, их цель — создание квантового компьютера. Из близко расположенных атомов можно сделать ячейки квантового компьютера. Потому что когда вы помещаете атомы сурьмыили атомы фосфора, помимо электрического заряда появляется ещё одно состояние системы, которым можно управлять — спин( магнитный момент).