Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schalter aus einem Atom

02.09.2013
Konstanzer Physikern gelingt der Nachweis der Informationsspeicherung durch elektrische Manipulation eines einzelnen Atoms

Die Miniaturisierung der Mikroelektronik führt zu immer kleineren Strukturen. Seit einigen Jahren lassen sich mit verschiedenen Techniken Schaltelemente herstellen, deren Funktionsweise in der Beeinflussung einzelner Atome vermutet wird.

Dass die Funktion eines solchen Schalters tatsächlich auf der Umlagerung eines einzelnen Atoms beruhen kann, konnte die Arbeitsgruppe der Konstanzer Experimentalphysikerin Prof. Dr. Elke Scheer zusammen mit Kollegen aus der Theoretischen Physik nun nachweisen.

Dies gelang durch die genaue Analyse der Transporteigenschaften bei tiefen Temperaturen. Neu ist auch das einfache Konzept des Schalters: Für die Schaltung des Stromes sind nicht die im Transistor üblichen drei Elektroden nötig, sondern nur zwei, was die Herstellung wesentlich vereinfacht. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“ erschienen.

Ausgangsmaterial ist ein dünner Aluminiumdraht, bestehend aus einer „Nanobrücke“, die lediglich zwei Mikrometer lang und an ihrer engsten Stelle etwa 100 Nanometer dick ist. Durch Ziehen lässt sich die Brücke bis auf ein Atom verengen, öffnen und wieder zusammenschieben. Dies geschieht mit einem Verfahren, das unter dem Namen „mechanisch kontrollierte Bruchkontakte“ bekannt ist.

Für die Realisierung des Einzelatomschalters und die damit einhergehende Speicherfunktion setzte Dr. Christian Schirm, ein ehemaliger Doktorand in der Gruppe von Elke Scheer, Strompulse ein. Durch die präzise Kontrolle des fließenden Stromes konnte er dafür sorgen, dass sich der Widerstand des Kontaktes ändert. Computergestützte Rechnungen des Doktoranden und theoretischen Physikers Manuel Matt, betreut von Prof. Dr. Peter Nielaba und Juniorprofessor Dr. Fabian Pauly, zeigten, dass sich gemessene Widerstandsänderungen durch die Umlagerung eines einzelnen Atoms erklären lassen.

Das umgelagerte Atom bleibt im neuen Zustand so lange stabil, bis ein Strompuls in umgekehrter Richtung einwirkt. Die aus der Umlagerung resultierende Widerstandsänderung ist noch immer so groß, dass sie sich ohne besondere Anforderungen an die Messelektronik nachweisen lässt. Die Stabilität in beiden Schaltzuständen eröffnet die Möglichkeit, den Schalter als binären Informationsspeicher mit den Zuständen „0“ (hoher Widerstand) und „1“ (niedriger Widerstand) zu verwenden.

In der Mikroelektronik werden solche Speicher üblicherweise durch Transistoren realisiert. Ein Transistor ist ein „three-terminal device“, ein Bauelement, das je eine Elektrode benötigt, durch die der Strom hinein- und wieder herausfließt, sowie eine dritte Zuleitung, die dafür sorgt, dass der Schalter geöffnet und geschlossen wird. „Es ist sehr schwer, diese drei Elektroden auf der Nanoskala zu implementieren“, beschreibt Elke Scheer die Problematik. Das Konstanzer Team, das durch den Gastwissenschaftler Prof. Dr. Juan Carlos Cuevas von der Universität Madrid verstärkt wurde, baute den Schalter stattdessen als „two-terminal device“. Er benötigt also lediglich zwei Zuleitungen, die beide sowohl zum Auslesen des Schaltzustands sowie zu dessen Änderung genutzt werden.

Das Experiment wurde im Bereich von 300 Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt durchgeführt. Solch tiefe Temperaturen sind notwendig, weil der Nachweis der Umlagerung eines einzelnen Atoms nur im supraleitenden Zustand gelingt, einem exotischen Materiezustand, in dem die Transporteigenschaften auf charakteristische Weise von der angelegten Spannung abhängen. Der Schalter und Speicher selbst funktioniert jedoch auch bei Raumtemperatur.

Bedingt durch die Notwendigkeit, bei der Speicherung von Informationen immer höhere Geschwindigkeiten zu erzielen, den Materialverbrauch zu reduzieren und die Kosten zu senken, sind Transistoren als Schlüsselelemente bei der Schaltung eines Stromkreises bis heute auf die Größenordnung weniger Nanometer geschrumpft. Der Ein-Atom-Transistor stellt dabei möglicherweise den Informationsspeicher der Zukunft dar. „Wir haben in unserer Arbeit das Grundprinzip demonstriert. Ähnlich wie bei Konzepten für Quantencomputer und Bauelemente aus einzelnen Molekülen wird die Umsetzung dieses Traumes in die Praxis weitere Anstrengungen und innovative Lösungen erfordern“, so Elke Scheer.

Originalveröffentlichung:
C. Schirm, M. Matt, F. Pauly, J. C. Cuevas, P. Nielaba and E. Scheer: A current-driven single-atom memory, Nature Nanotechnology (2013); DOI: 10.1038/nnano.2013.170
Kontakt:
Universität Konstanz
Kommunikation und Marketing
Telefon: 07531 / 88-3603
E-Mail: kum@uni-konstanz.de
http://www.uni-konstanz.de
Prof. Dr. Elke Scheer
Universität Konstanz
Fachbereich Physik
Universitätsstraße 10
78464 Konstanz
Telefon: 07531 / 88-4712
E-Mail: Elke.Scheer@uni-konstanz.de

Julia Wandt | idw
Weitere Informationen:
http://www.www.uni-konstanz.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie