国家标准与技术研究所 曾经不可思议的是，仅由几个原子簇甚至单个原子组成的晶体管有望成为新一代计算机的构件，拥有无与伦比的内存和处理能力
但是，为了实现这些微型晶体管——微型电子开关——的全部潜力，研究人员必须找到一种方法来制造这些众所周知的难以制造的部件的许多副本
现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员和他们在马里兰大学的同事已经开发出一种生产原子级设备的分步配方
使用这些指令，NIST领导的团队已经成为世界上第二个制造单原子晶体管的团队，也是第一个制造一系列单电子晶体管的团队，这些单电子晶体管可以对器件的几何形状进行原子级控制
科学家们证明，他们可以精确地调整单个电子通过晶体管中的物理间隙或电屏障的速度——尽管经典物理会禁止电子这样做，因为它们缺乏足够的能量
这种严格意义上的量子现象被称为量子隧穿，只有在间隙非常小的时候才变得重要，比如在微型晶体管中
对量子隧道的精确控制至关重要，因为它使晶体管能够“纠缠”或以只有量子力学才有可能的方式相互连接，并为创造可用于量子计算的量子位开辟了新的可能性
为了制造单原子和少原子晶体管，该团队依靠一种已知的技术，在硅片上覆盖一层氢原子，氢原子很容易与硅结合
然后扫描隧道显微镜的细尖在选定的位置移除氢原子
剩余的氢起到了屏障的作用，因此当团队将磷化氢气体(PH3)导向硅表面时，单个的PH3分子只附着在氢被移除的位置(见动画)
研究人员然后加热硅表面
热量将氢原子从PH3中喷射出来，并导致留下的磷原子嵌入表面
通过额外的处理，结合的磷原子创造了一系列高度稳定的单原子或少原子器件的基础，这些器件有可能成为量子位
NIST研究人员理查德·西尔弗说，NIST团队设计的方法中的两个步骤——用硅保护层密封磷原子，然后与嵌入的原子进行电接触——似乎对可靠制造许多原子级精密器件至关重要
过去，研究人员通常在所有硅层生长时加热，以去除缺陷并确保硅具有将单原子器件与传统硅片电子元件集成所需的纯晶体结构
但是NIST的科学家们发现，这样的加热可以去除结合的磷原子，并有可能破坏原子级设备的结构
相反，研究小组在室温下沉积了最初的几层硅，让磷原子留在原地
只有当后续的层被沉积时，研究小组才加热
为了实现微型晶体管的全部潜力，研究人员必须找到一种方法来制造这些众所周知难以制造的元件的许多副本
这个动画展示了NIST科学家和他们的同事为生产这些原子级设备而设计的一步一步的配方
信用:S
凯利/NIST “我们相信我们的敷层方法提供了更稳定和精确的原子级设备，”西尔弗说
即使单个原子不在适当的位置，也会改变以单个或小原子簇为特征的电子元件的导电性和其他特性
该团队还开发了一种新技术，用于与掩埋原子进行电接触的关键步骤，以便它们可以作为电路的一部分工作
NIST的科学家们轻轻地加热了一层钯金属，该层钯金属被施加到硅表面的特定区域，该区域直接位于硅嵌入器件的选定组件之上
加热的钯与硅反应形成一种叫做硅化钯的导电合金，它自然地穿透硅并与磷原子接触
在最新版的《高级功能材料》中，西尔弗和他的同事，包括王锡桥、乔纳森·怀里克、小迈克尔·斯图尔特
和科特·里希特强调，他们的接触法有将近100%的成功率
怀里克指出，这是一项关键成就
“你可以拥有世界上最好的单原子晶体管器件，但是如果你不能接触它，它就没有用了，”他说
里希特说，制造单原子晶体管“是一个困难而复杂的过程，也许每个人都必须全力以赴，但我们已经制定了步骤，这样其他团队就不必通过试错来进行。”
在今天发表在《通信物理学》上的相关工作中，西尔弗和他的同事证明了他们可以精确控制单电子晶体管中单个电子穿过原子级精确隧道势垒的速率
NIST的研究人员和他们的同事制造了一系列单电子晶体管，除了隧穿间隙的大小不同之外，其他方面都完全相同
对电流的测量表明，通过将晶体管组件之间的间隙增加或减少不到一纳米(十亿分之一米)，该团队可以以可预测的方式精确控制单个电子通过晶体管的流量
“因为量子隧穿对任何量子设备都是如此重要，包括量子位的构建，所以一次控制一个电子流的能力是一项重大成就，”怀里克说
此外，随着工程师将越来越多的电路封装在一个微小的计算机芯片上，元件之间的差距继续缩小，理解和控制量子隧道效应将变得更加重要，里克特说
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