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Ein '''atomarer Transistor''', auch '''Einzelatomtransistor''' genannt, ist ein [[elektrisches Bauelement]] mit dem sich ein [[Elektrischer Stromkreis|elektrischer Schaltkreis]] ähnlich wie mit einem [[Relais]] öffnen und schließen lässt. Ermöglicht wird dies durch die kontrollierte und reversible Umpositionierung eines einzelnen [[Atom]]s oder [[Molekül]]s.

Herkömmliche [[Transistor]]en werden zum einen als [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärker]] eingesetzt, zum anderen sind sie die [[Elektronischer Schalter|Schalter]], die in Computern 0 und 1 darstellen. Einzelatomtransistoren sind nur im zweiten Sinne Transistoren. Bei manchen Realisierungen tragen sie nicht die digitale Information <math>\{0,1\}</math>, sondern die eines [[Qubit]]s.

== Verschiedene Varianten von Einzelatomtransistoren ==

=== Polypyridin-Aufhängung ===
2002 realisierte die Forschungsgruppe von [[Paul McEuen]] an der [[Cornell University]] einen Einzelatomtransistor, bei dem ein [[Kobalt]]-Atom in einem Poly-[[Pyridin]]-Molekül zwischen zwei Goldelektroden aufgehängt wurde. Durch die Gatterspannung kann das Kobalt-Atom zwischen den Ladungszuständen Co<sup>2+</sup> und Co<sup>3+</sup> gesteuert werden.<ref>{{Internetquelle |autor=David Brand |url=https://www.news.cornell.edu/releases/June02/McEuen.transistor.deb.html |titel=Cornell scientists create single-atom transistor by implanting molecule between wires, enabling 'virtual dance of electrons' |hrsg=Cornell News Service |datum=2002-06-12 |abruf=2012-12-02}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Jiwoong Park et al. |Titel=Coulomb blockade and the Kondo effect in single-atom transistors |Sammelwerk=[[Nature]] |Band=417 |Datum=2002 |Seiten=722–725 |Online=[http://www.lassp.cornell.edu/lassp_data/mceuen/homepage/Publications/Co-02pub.pdf PDF auf der Website von Paul McEuen] |Abruf=2012-12-02 |DOI=10.1038/nature00791}}</ref>

=== Graphen ===
[[Kostya Novoselov]] und [[Andre Geim]] von der [[Manchester University]] gelang es 2004 Transistoren zu bauen, indem sie eine [[Graphen]]-schicht auf [[Silizium]] aufbrachten. Der Transistor war eine [[Atomlage]] dick und in der Größenordnung weniger Atome.<ref>{{Internetquelle |autor=David Manners |url=https://www.electronicsweekly.com/news/research-news/materials-rd/manchester-university-makes-single-atom-graphene-transistor-2008-04/ |titel=Manchester University makes single atom graphene transistor |hrsg=ElectronicsWeekly.com |datum=2008-04-18 |abruf=2021-05-31}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. |Titel=Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films |Sammelwerk=[[Science]] |Band=306 |Datum=2004 |Seiten=666–669 |Online= [http://www.condmat.physics.manchester.ac.uk/pdf/mesoscopic/publications/graphene/Science_2004.pdf PDF auf der Website der Manchester University] |Abruf=2012-12-02}}</ref> Für ihre Arbeiten über Graphen erhielten Kostya Novoselov und Andre Geim 2010 den [[Nobelpreis für Physik]].<ref>{{Internetquelle |autor=Paul Rincon |url=http://www.bbc.co.uk/news/world-11476301 |titel=Materials breakthrough wins Nobel |hrsg=BBC News |datum=2010-10-05 |abruf=2012-12-02}}</ref>

=== Silberatom in Elektrolytlösung ===
[[Datei:Atomarer Transistor.jpg|mini|Aufbau des atomaren Transistors]]
Die seit 2004 vom [[Karlsruher Institut für Technologie]] hergestellten [[Prototyp (Technik)|Prototypen]] bestehen aus Gold[[elektrode]]n, die auf ein Trägermaterial wie z. B. Glas oder Silizium aufgebracht wurden. Durch Anlegen einer kleinen elektrischen Spannung an eine Kontrollelektrode, die sogenannte Gateelektrode, wird ein einzelnes [[Silber]]atom reversibel zu einer winzigen Kontaktstelle hin- und von dieser wegbewegt, sodass sich ein elektrischer Kontakt schließt und öffnet. Auf diese Weise funktioniert der Einzelatomtransistor als atomarer Schalter oder atomares Relais, wobei das schaltbare Atom die Lücke zwischen zwei winzig kleinen Elektroden, Source und Drain, öffnet und schließt.<ref>{{Literatur |Autor=Fang-Qing Xie, Christian Obermair, Thomas Schimmel |Titel=Switching an electrical current with atoms: the reproducible operation of a multi-atom relay |Sammelwerk=Solid State Communications |Band=132 |Nummer=7 |Datum=2004-11 |Seiten=437–442 |DOI=10.1016/j.ssc.2004.08.024}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=F.-Q. Xie u. a. |Titel=Independently Switchable Atomic Quantum Transistors by Reversible Contact Reconstruction |Sammelwerk=Nano Lett. |Band=8 |Nummer=12 |Datum=2008 |Seiten=4493–4497 |DOI=10.1021/nl802438c}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=C. Obermair, F.Q. Xie, T. Schimmel |Titel=The Single-Atom Transistor: perspectives for quantum electronics on the atomic-scale |Sammelwerk=Europhysics News |Band=41 |Nummer=4 |Datum=2010 |Seiten=25–28 |Online= [http://www.europhysicsnews.org/articles/epn/pdf/2010/04/epn2010414p25.pdf PDF]}}</ref>

Zwischen den Anschlüssen besteht dabei ein Abstand von 50 bis 100 [[Nanometer|nm]]. Zur Produktion wird auf den beiden Elektroden solange Silber abgeschieden, bis ihr Kontakt durch ein Silberatom hergestellt wird. Dieses Atom wird so ausgerichtet, dass es sich zwischen zwei stabilen Positionen bewegen kann, damit der Kontakt entweder vollständig geöffnet oder geschlossen ist. Mithilfe der Spannung zwischen den Anschlüssen ''Source'' und ''Gate'' kann die Position des Silberatoms derart gesteuert werden, dass sich der [[Laststromkreis]] zwischen den Elektroden ''Drain'' und ''Source'' öffnet oder schließt.

Zugleich markiert das Bauelement des Karlsruher Forscherteams die untere Grenze der Miniaturisierung, da Strukturgrößen, die kleiner als ein Atom sind, nicht hergestellt werden können. Das Bauelement stellt einen Quantentransistor dar, der Leitwert des Source-Drain-Kanals wird über die Gesetze der Quantenmechanik festgelegt. Es kann bei Raumtemperatur und unter realen Umgebungsbedingungen betrieben werden, das heißt weder Kühlung noch Vakuum werden benötigt.<ref>{{Literatur |Autor=Fangqing Xie, Robert Maul, Christian Obermair, Wolfgang Wenzel, Gerd Schön, Thomas Schimmel |Titel=Multilevel Atomic‐Scale Transistors Based on Metallic Quantum Point Contacts |Sammelwerk= [[Advanced Materials]] |Band=22 |Nummer=18 |Datum=2010-05-11 |Seiten=2033–2036 |DOI=10.1002/adma.200902953}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=F.-Q. Xie, L. Nittler, Ch. Obermair, Th. Schimmel |Titel=Gate-Controlled Atomic Quantum Switch |Sammelwerk= [[Physical Review Letters]] |Band=93 |Nummer=12 |Datum=2004 |Seiten=128303 |DOI=10.1103/PhysRevLett.93.128303}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Thomas Schimmel, Christian Obermair, Fangqing Xie |Titel=Atomare Elektronik |TitelErg=Mit einzelnen Atomen elektrische Ströme schalten |Sammelwerk=Nanotechnik |Nummer=6 |Datum=2005-12 |Online=https://aph-ags.webarchiv.kit.edu/Texte/Photonik0512-AtomarerTransistor.pdf|Format= PDF}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Th. Schimmel |url=http://www.beilstein.tv/tvpost/the-single-atom-transistor-perspectives-for-quantum-electronics-at-room-temperature/ |titel=The single-atom transistor |titelerg=perspectives for quantum electronics at room temperature |hrsg=Beilstein-TV |datum=2012-04-11 |format=Video |sprache=en |abruf=2013-01-01}}</ref>

=== Phosphordotierung von Siliciumoberflächen ===
2011 gelang einer Kooperation aus australischen, südkoreanischen, US-amerikanischen und deutschen Wissenschaftlern der Bau eines Transistors an der Oberfläche von [[Silizium]]. Sowohl für die Elektroden als auch für den eigentlichen Transistor wurde die Oberfläche mit [[Phosphor]] dotiert. Dadurch ist das schaltende Atom an einer Gitterstelle des Siliziums fixiert (ca. 1 nm), während bei den bisherigen Versuchsaufbauten Ortsungenauigkeiten von ca. 10 nm in Kauf genommen werden mussten.<ref>{{Literatur |Autor=Martin Fuechsle u. a. |Titel=A single-atom transistor |Sammelwerk= [[Nature Nanotechnology]] |Band=7 |Nummer=4 |Datum=2012 |Seiten=242–246 |DOI=10.1038/nnano.2012.21}}</ref>

== Verwendungszwecke und Vorteile ==
* Atomare Transistoren werden durch wenige Atome geschaltet, wodurch die Schaltzeiten wesentlich kürzer als bei herkömmlichen Transistoren sind und der Einsatz in der [[Hochfrequenztechnik]] ermöglicht wird.
* Das Schalten eines atomaren Transistors ist schon bei Spannungen von einigen Millivolt möglich. Dadurch ist die Leistungsaufnahme dieser elektronischen Bauelemente sehr gering.
* Weil nur wenige Atome oder Moleküle zum Schalten verwendet werden, kann es nur die zwei Schaltzustände „durchlässig“ und „undurchlässig“ geben. Gegenüber stufenlos schaltbaren, [[halbleiter]]basierten Transistoren ist das ein Vorteil bei der Konstruktion von Quantenbauelementen und [[Quantencomputer]]n.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Transistor]]

Atomarer Transistor - Versionsgeschichte

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