Viime vuosina tutkijat ovat kehittäneet nanomittakaavan tyhjiökanavatransistoreita (nanoscale vacuum channel transistors, NVCT). Niissä yhdistyy parhaat puolet tyhjöputkia ja moderneja puolijohteita samaan laitteeseen. Perinteisiin transistoreihin verrattuna NVCT-transistorit ovat nopeampia ja kestävät korkeampia lämpötiloja sekä säteilyä.
NVCT-transistoreiden ominaisuudet tekevät niistä sopivia syvän avaruuden ja korkean taajuuden laitteisiin sekä THz-elektroniikkaan. Ne ovat myös ehdolla jatkamaan Mooren lakia.
NASA:n Ames-tutkimuskeskuksen tutkijat ovat suunnitelleet piipohjaisen tyhjiökanavatransistorin, jonka paranneltu hilarakenne vähentää ohjausjännitettä kymmenistä volteista alle viiteen volttiin. Tämän seurauksena transistorin energiankulutus pienenee.
Vanhoissa tyhjiöputkissa elektronit kulkivat tyhjiössä, joten ne liikkuivat hyvin suurilla nopeuksilla, mikä johti nopeaan toimintaan. NVCT-komponentissa ei itse asiassa ole tyhjiötä vaan elektronit kulkevat tilan poikki, joka on täytetty inertillä kaasulla.
Koska elektronien välinen etäisyys on noin 50 nanometrin luokkaa, elektronin todennäköisyys törmätä kaasumolekyyliin on hyvin alhainen. Käytännössä elektronit liikkuvat yhtä nopeasti kuin tyhjiössä.
IBM:n tutkijat ovat puolestaan ampuneet elektronin pitkin III-V-ryhmän puolijohteista valmistettua nanolankaa, joka on integroitu piille. Tämä saavutus muodostaa perustan tulevaisuuden kvanttilankapiireille.
Elektronit ammutaan yhdestä kontaktielektrodista toiseen ja ne lentävät ballistisesti läpi nanolangan ilman siroamista. Näin nanolanka toimii täydellisenä putkena elektroneille siten, että elektronin täysi kvantti-informaatio (energia, liikemäärä, spin) voidaan siirtää ilman häviöitä.
Tutkijat näkevätkin saavutuksen osana yleistä kvanttitietokonetta, jossa kvanttijärjestelmä on täysin ballistinen. Lisäksi, yhdistämällä nanolankarakenteita suprajohteiden kanssa mahdollistaa topologisesti suojatun kvanttilaskennan, mikä mahdollistaa vikasietoisen laskennan.
Toteutuksessa käytettävällä tekniikalla on etuna myös täysi integroitavuus olemassa oleviin CMOS-prosesseihin ja teknologiaan.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 12.4.2017
