במהלך עשרות השנים האחרונות עברו הרכיבים האלקטרוניים הבסיסיים, ובראשם הטרנזיסטור, תהליך מואץ של מזעור. מגודל התחלתי שנמדד בסנטימטרים, ירד גודלו של הטרנזיסטור לעשרות ננו-מטרים. תהליך זה היה מרכזי בהתפתחות האלקטרוניקה המודרנית, שכן הוא אפשר את הגדלת מהירות הפעולה של הטרנזיסטורים ומספר הטרנזיסטורים שניתן לצופף על שבב אלקטרוני אחד. מזה מספר עשורים קצב המזעור הוא כזה שגודלו הפיזי של טרנזיסטור יורד לחצי מדי כ-18 חודש. קצב זה, המכונה בשם המטעה “חוק מור” מביא את הטרנזיסטורים של ימינו מן העידן המיקרוני (המיקרון הוא מיליונית המטר) אל פתחו של העידן הננו-מטרי (ננו-מטר הוא מיליונית המילימטר, כ-10 פעמים קוטרו של אטום אחד).
הגעתם של הרכיבים האלקטרוניים לסקאלת אורך של ננו-מטרים בודדים מחייבת חשיבה מחדש על דרכי פעולתם. הסיבה לכך היא עלית חשיבותם של שני גורמים פיסיקליים שהשפעתם על התקנים גדולים (ממיקרון ומעלה) קטנה. הגורם הראשון הוא תורת הקוונטים, ובעיקר אופיים הגלי של האלקטרונים נושאי הזרם. הגורם השני הוא האנרגיה האלקטרוסטטית הכרוכה בטעינתן של מערכות אלקטרוניות זעירות באלקטרונים בודדים. חשיבה מחדש נדרשת גם בנושא יצורם של רכיבים בגודל כה זעיר, ובנושא תכנונם של מעגלים אלקטרוניים שמספר רכיביהם כה גדול.
חוקי תורת הקוונטים משפיעים על תכונות אלקטרוניות של חומרים גם בסקאלות אורך מקרוסקופיות – כך לדוגמה האופי הגלי של אלקטרונים הוא זה שמבדיל בין מוליכים, חצי מוליכים ומבודדים. השפעה זו צפויה להיות חזקה הרבה יותר במערכות ננו-מטריות, שכן אורך הגל הקוונטי של אלקטרונים (בעיקר במוליכים למחצה) אף הוא מסדר גודל של ננו-מטרים בודדים. יותר מכך, במערכות מגודל כזה אלקטרון יכול לעבור מקצה אחד של המערכת לקצה השני מבלי שהאינטראקציה שלו עם סביבתו תפגע ביכולתו להתאבך התאבכות קוונטית. האינטראקציה האלקטרוסטטית בין מטענים חשמליים היא אחד המקורות העיקריים לאנרגיה לאלקטרונים במערכות אלקטרוניות, והצורך להביא אנרגיה זו למינימום הוא גורם חשוב בקביעת התפלגות האלקטרונים בחומר. במערכות ננו-מטריות נוצר לעיתים קונפליקט בין צורך זה לבין העובדה שמערכת אלקטרונית סגורה יכולה להכיל רק כפולה שלמה של המטען החשמלי הבסיסי. כתוצאה מגורמים אלו, המוליכות החשמלית של מערכת תלויה לא רק בחומרים מהם היא עשויה, אלא תלויה גם תלות רגישה ביותר בממדי המערכת, בצורתה, בדרך בה היא מחוברת לסביבתה, בשדה המגנטי הפועל בסביבתה, בטמפרטורה בה היא פועלת וכו’.
במערכות ננו-מטריות עולה גם חשיבותה של דרגת חופש אלקטרונית נוספת – ה”ספין” של האלקטרון – ונוצרת אפשרות לשליטה בספינים אלקטרוניים בודדים. כתוצאה מכך, עולה האפשרות להשתמש בספין הבודד כרכיב זכרון מגנטי, ועל-ידי כך ליצור רכיבים אלקטרוניים המשמשים לזיכרון ולחישוב כאחד. תחום המחקר המנסה לקדם רכיבים כאלו נקרא “ספינטרוניקה”, על משקל ה”אלקטרוניקה”.
בעידן בו הרכיבים האלקטרוניים היו מסדר גודל של מיקרון אחד, שיטת הייצור המקובלת שלהם התבססה על “ליטוגרפיה אופטית”, כלומר הדפסת המבנה האלקטרוני הדרוש על-פני גוש חומר הבנוי משכבות חצי מוליכות, תוך שימוש בהארה של חומרים רגישים לאור. שיטה זו נשענה על-כך שאורך הגל של האור הוא בקירוב גודל הרכיב האלקטרוני אותו יש להדפיס. בעידן הננו-מטרי נדרשת שיטה חדשה. יותר מכך, הקטנת הממדים של הרכיבים הבסיסיים אל גבולות התחום הננו-מטרי באה בד בבד עם הגדלה משמעותית במספר הרכיבים על-גבי שבב אלקטרוני, הגדלה שהופכת את התכנון של שבבים אלקטרוניים למשימה שמורכבותה הולכת וגדלה. שני כיוונים אלו מעלים את האפשרות שתכנון ובניית מעגלים אלקטרוניים בעידן הננו-מטרי ישאב השראה מהכימיה של מולקולות מורכבות, הלא היא הביוכימיה, תוך שימוש במושגים כמו בניה עצמית, שכפול עצמי, היזון חוזר, אבולוציה וכיוצ”ב.
לסיכום, מאמץ מחקרי רב מוקדש היום למעבר של האלקטרוניקה מהעידן המיקרו-מטרי לעידן הננו-מטרי, הן בהיבטי המדע הבסיסי והן בהיבטים הטכנולוגיים.