卡德蒙说:“这意味着如果电脑工业继续以现在

 开关晶体管     |      2019-06-13 01:04

  美国亚利桑那州大学的物理学家发明了将单分子转变为工作晶体管的工艺,纳米专家梦寐以求的下一代微型高效计算机的研制方法终于取得了突破性进展。

  物理学家们已经为他们绰号为“QuIET”的量子干涉效应晶体管申请了专利。美国化学学会的刊物《纳米科学》已经在线出版了研究员们关于这种晶体管的报告。这项研究同时还将作为11月印刷版《纳米科学》杂志的封面文章。

  晶体管是一种设置电流开关状态的装置,就像花园水管上用来控制水流开关的阀门一样。现代工业用的最小晶体管其尺寸已经达到65纳米。亚利桑那州大学的物理学家正计划制造出尺寸在1纳米,即十亿分之一米的微型晶体管。

  “现代工艺以及几乎所有正在设计中的晶体管,都是通过升高或降低势能来实现电流强度的控制,” 亚利桑那州大学物理学家查尔斯A斯塔福德说。“电学开关中利用电流升高和降低势能的原理已经使用了一个世纪的时间,但是这种途径的继续使用即将面临终止。”

  斯塔福德表示,现代晶体管的尺寸已经无法再缩小到25纳米以内,或1/40,000米的针头宽度,这是因为更进一步的收缩比例将产生难以控制的能量问题。即使现代晶体管工艺制造出了使用分子尺寸晶体管的超高级笔记本电脑,它也将耗费整个一座城市的电能才得以运行,并且这个小东西的温度将高到足以使它蒸发。

  亚利桑那州大学的物理学家苏米特玛祖达、大卫卡德蒙以及在2005年获得博士学位的斯塔福德三年前就开始思考如何解决下一代晶体管生产工艺的难题。他们意识到量子力学的原理可以用来攻克单分子晶体管在室温下调控电流强弱的技术难题,从而解决现在的工艺问题。

  “我们的途径比以前生硬的方式相对巧妙,” 卡德蒙说。“我们并不使用开关的原理来阻隔电流。而是通过控制电子波的叠加来实现晶体管的开关。”他们用于晶体管制造的最简单物质是苯,一种环形结构的分子。他们计划用两根导线连接苯环从而建立一个电流的双通道模式。他们同时还计划在与两根导线相反的方向再接入第三跟导线。其它研究员已经成功的将两根导线连接到了如此微小的分子环上,但是对于第三根导线的连接仍然是一个难题——并且是问题的关键。因为第三根导线正是控制装置开关的“阀门”。

  “在经典物理学中,从苯环分子两个通道中流过的电流汇总之后将进行简单的叠加,” 斯塔福德说。“但是从量子力学的角度来讲,两个电子波的相消干涉将导致没有任何电流从分子链通过。这就是分子晶体管的‘关闭’状态。”打开晶体管只需改变电子波的相位使其不进行相消干涉,同时第三根导线还打开了额外的一条电流路径。

  “这种观念从理论到实际的转换只用了很短的时间,” 斯塔福德说。“我们在几星期之内就能够以忽略不同电子间的交互感应为前提,从量子化学的角度制作出最简单的模型。但却花了相当一段时间将所有电子交感考虑在内演示出真正成熟的装置。”斯塔福德强调说,根据半导体研究机构的调查显示,一般一个新的理论从最初的科学设想走向成熟的商业应用需要花费12年的时间。卡德蒙说:“这意味着如果电脑工业继续以现在的步伐向小型化发展,我们应该在此之前就已经研发出这个新的理论。”

  为什么要进行这么多努力制造高深复杂的微型电脑?为什么要在纳米计算机学领域投入如此之多的智囊团?斯塔福德解释说,无论你是一个科学家在进行全球变暖现象或超新星爆炸的建模工作,还是一个娱乐界漫画师在进行人类面部表情的逼真创作,越高的计算能力意味着越逼真的模拟能力。

  纳米计算机能使医药学领域产生巨大的变革,卡德蒙说。“这些机器能够在人体的体液中运作。已经有临床医学的案例运用纳米颗粒在人体内运送药物。想象一下如果这些纳米颗粒或纳米机器人还能够进行计算或简单的运算工作,将会变得多么强大。有了我们的高密集晶体管技术,你能够将一个如同工作站计算机那样强大的微型处理器捆绑在大肠杆菌的背上。”

  “你看过电影《奇幻旅程》吗?” 斯塔福德问道。这部科幻电影中,一个纳米尺寸的医疗队漫游于一个人类的身体之内。虽然那是一个不同的故事,但却有相同的主题。斯塔福德说:“我们根本就不是什么预言家,也不能预示未来,但是想象一下你能够制造一个人工智能机器,并且利用这个微型潜水艇深入到人体的动脉及毛细血管中对它们进行修复。”