Nowy typ przełącznika molekularnego

Naukowcy IBM stworzyli nowatorski przełącznik molekularny, który może włączać się i wyłączać bez zmiany swojego kształtu. Chociaż taki przełącznik jest wciąż używany w działających urządzeniach, naukowcy sugerują, że pokazuje on potencjalny sposób łączenia ze sobą takich przełączników molekularnych w celu utworzenia bramek logiki molekularnej dla przyszłych komputerów.

Przełącznik molekularny: Końcówka skaningowego mikroskopu tunelowego (pokazana w kolorze srebrnym) bada przełącznik molekularny w kształcie krzyża, aby włączać i wyłączać sąsiednią cząsteczkę. Indukując napięcia, sonda powoduje, że dwa atomy wodoru w cząsteczce naftalocyjaniny przechodzą z jednej orientacji w drugą.

Naukowcy w ciągu ostatniej dekady pracowali nad wykorzystaniem pojedynczych molekuł jako przełączników elektronicznych, mając nadzieję, że ostatecznie pomogą one uczynić urządzenia elektroniczne jeszcze mniejszymi i wydajniejszymi. (Patrz Molecular Computing .) Ale dotychczas takie wysiłki obejmowały procesy molekularne, które w pewien sposób deformują geometryczny kształt cząsteczki, mówi Peter Liljeroth , naukowiec w Laboratorium Badawcze IBM w Zurychu , w Szwajcarii.

Problem polega na tym, że zmiana kształtu cząsteczki utrudnia łączenie ich razem jako przełączników. Liljeroth mówi, że jeśli naukowiec chce stworzyć coś bardziej skomplikowanego niż tylko przełącznik molekularny, taki jak bramka logiczna, musi być w stanie je połączyć. Posiadanie pojedynczego przełącznika molekularnego do niczego się nie przyda.

Liljeroth i jego koledzy wykorzystują zmiany atomowe zachodzące w centrum klatki molekularnej, co nie zmienia ogólnej struktury cząsteczki. W najnowszym numerze czasopisma Nauka , grupa pokazuje, jak jej cząsteczkę można włączać i wyłączać elektrycznie. Naukowcy pokazują również, w jaki sposób można sprawić, by trzy z tych molekuł współpracowały ze sobą po umieszczeniu obok siebie. Wstrzyknięcie prądu do jednej cząsteczki zmieni stan innej, mówi Liljeroth.

Multimedialne

• Zobacz, jak działa molekularny przełącznik IBM.

Raport stanowi wybitny i niezwykły fragment nauki podstawowej, mówi Fraser Stoddart , dyrektor California Nanosystems Institute na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, który pracuje również nad przełączaniem molekularnym.

Cząsteczka IBM to naftalocyjanina, klasa związków stosowanych w farbach i organicznej elektronice optycznej ze względu na ich intensywny niebiesko-fioletowy kolor. Struktura cząsteczki IBM tworzy kształt krzyża, który zawiera dwa przeciwstawne atomy wodoru po obu stronach pustki w centralnym kwadracie.

Kiedy naukowcy umieścili cząsteczkę na ultracienkim podłożu, okazało się, że te przeciwstawne atomy wodoru przeskakują z boków tego kwadrantu na górę i dół lub odwrotnie, gdy przyłożone jest wystarczające napięcie. Jednak niezależnie od tego, w którym z tych dwóch stanów się znajduje, geometria cząsteczki pozostaje stała.

Po przyłożeniu niższego napięcia możliwe jest odczytanie stanu przełącznika poprzez pomiar przepływającego przez niego prądu. Niskie napięcie go nie przełącza, więc możemy odczytać stan cząsteczki, mówi Liljeroth.

To piękna nauka, mówi Mark Reed , fizyk z Yale University w New Haven, CT, który bada urządzenia molekularne. Fakt, że mają tę odwracalną zmianę struktury, jest bardzo miły.

Odkrycie IBM zostało dokonane przez przypadek. W rzeczywistości badaliśmy drgania molekularne spowodowane dodaniem elektronów do cząsteczki, mówi Liljeroth. Ale robiąc to, naukowcy zauważyli to przerzucanie atomów wodoru, reakcję molekularną znaną jako tautomeryzacja.

Aby zmienić cząsteczkę, grupa wykorzystała skaningowy mikroskop tunelowy (STM) działający w ekstremalnie niskich temperaturach iw próżni. Jednak reakcja jest napędzana elektrycznie, aczkolwiek w pikoamperach, więc STM nie jest konieczny, aby ta reakcja zaszła, mówi Liljeroth. Jednak niska temperatura może być główną przeszkodą w praktycznym wykorzystaniu tego procesu.

W przypadku tej konkretnej cząsteczki temperatura musiała być utrzymywana na poziomie zaledwie pięciu stopni Kelvina, aby reakcja przebiegała w kontrolowany sposób. Reakcja nadal zachodzi w temperaturze pokojowej, mówi Liljeroth. Ale w temperaturze pokojowej stanie się to samoistnie. Niemniej jednak, mówi, istnieje potencjał do znalezienia nowych cząsteczek, które wykazują takie zachowanie w wyższych temperaturach, w nadziei na zbudowanie urządzeń logicznych.

Wykazanie, że jeden przełącznik molekularny może być włączany i wyłączany przez przyłożenie prądu do sąsiedniej cząsteczki, jest pierwszym krokiem w kierunku takiej logiki. Zdolność do przykładania napięcia do jednej cząsteczki i powodowania tautomeryzacji sąsiedniej ma interesujące implikacje dla urządzeń logicznych, mówi Stoddart. Ale, jak mówi, ograniczenie temperatury pozostaje ogromnym wyzwaniem.

Stoddart odrzuca również odrzucenie przez grupę IBM przełączników molekularnych, które zmieniają kształt; twierdzi, że takie cząsteczki są na znacznie bardziej zaawansowanym etapie i mogą działać w temperaturze pokojowej. Irytuje mnie, że naukowcy zajmujący się elektroniką molekularną nadal niesłusznie lekceważą badania prowadzone przez innych, które są znacznie bardziej zaawansowane technologicznie niż ich własne, a jednocześnie mają bardzo solidne podstawy teoretyczne i eksperymentalne.

Reed z Yale odnosi się również sceptycznie do praktycznych implikacji odkrycia IBM. Jakakolwiek rozmowa o przekształceniu tej reakcji w urządzenie oznacza na tym etapie nadmierną hiperbolę, mówi. To tak, jakby powiedzieć, że odkryliśmy półprzewodniki krzemowe, dlatego możemy zrobić Pentium.

ukryć