Autrefois inimaginable, les transistors constitués uniquement de grappes de plusieurs atomes ou même d'atomes uniques promettent de devenir les éléments constitutifs d'une nouvelle génération d'ordinateurs dotés d'une mémoire et d'une puissance de traitement inégalées. Mais pour réaliser le plein potentiel de ces minuscules transistors (interrupteurs marche-arrêt électriques miniatures), les chercheurs doivent trouver un moyen de faire de nombreuses copies de ces composants notoirement difficiles à fabriquer.

Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues de l'Université du Maryland ont développé une recette étape par étape pour produire les dispositifs à l'échelle atomique. En utilisant ces instructions, l'équipe dirigée par le NIST est devenue la deuxième au monde à construire un transistor à un seul atome et la première à fabriquer une série de transistors à un seul électron avec un contrôle à l'échelle de l'atome sur la géométrie des appareils.

Les scientifiques ont démontré qu'ils pouvaient ajuster avec précision la vitesse à laquelle les électrons individuels traversent un espace physique ou une barrière électrique dans leur transistor, même si la physique classique interdirait aux électrons de le faire parce qu'ils manquent d'énergie. Ce phénomène strictement quantique, connu sous le nom de tunnel quantique, ne devient important que lorsque les écarts sont extrêmement petits, comme dans les transistors miniatures. Un contrôle précis de l'effet tunnel quantique est essentiel car il permet aux transistors de s'« enchevêtrer » ou de s'interconnecter d'une manière uniquement possible grâce à la mécanique quantique et ouvre de nouvelles possibilités pour créer des bits quantiques (qubits) qui pourraient être utilisés en informatique quantique.

Pour fabriquer des transistors à un ou quelques atomes, l'équipe s'est appuyée sur une technique connue dans laquelle une puce de silicium est recouverte d'une couche d'atomes d'hydrogène, qui se lient facilement au silicium. La pointe fine d'un microscope à effet tunnel a ensuite retiré les atomes d'hydrogène sur des sites sélectionnés. L'hydrogène restant a agi comme une barrière de sorte que lorsque l'équipe a dirigé le gaz phosphine (PH 3 ) à la surface du silicium, PH individuel 3 molécules attachées uniquement aux endroits où l'hydrogène avait été retiré (voir animation). Les chercheurs ont ensuite chauffé la surface de silicium. La chaleur éjectée des atomes d'hydrogène du PH 3 et a fait que l'atome de phosphore qui a été laissé s'est enfoncé dans la surface. Avec un traitement supplémentaire, les atomes de phosphore liés ont créé la base d'une série de dispositifs à un ou quelques atomes très stables qui ont le potentiel de servir de qubits.

Deux des étapes de la méthode conçue par les équipes du NIST - sceller les atomes de phosphore avec des couches protectrices de silicium, puis établir un contact électrique avec les atomes incrustés - semblent avoir été essentielles pour fabriquer de manière fiable de nombreuses copies de dispositifs atomiquement précis, Le chercheur du NIST, Richard Silver, a déclaré.

Autrefois, les chercheurs ont généralement appliqué de la chaleur lorsque toutes les couches de silicium sont développées, afin d'éliminer les défauts et de garantir que le silicium a la structure cristalline pure requise pour intégrer les dispositifs à un seul atome avec les composants électriques conventionnels à puce de silicium. Mais les scientifiques du NIST ont découvert qu'un tel chauffage pouvait déloger les atomes de phosphore liés et potentiellement perturber la structure des dispositifs à l'échelle atomique. Au lieu, l'équipe a déposé les premières couches de silicium à température ambiante, permettant aux atomes de phosphore de rester en place. Ce n'est que lorsque les couches suivantes ont été déposées que l'équipe a appliqué de la chaleur.