Wynalezienie tranzystora na nowo

Każdego piątkowego popołudnia w Hewlett-Packard Labs w Palo Alto w Kalifornii R. Stanley Williams, jeden z najbardziej szanowanych myślicieli w dziedzinie elektroniki molekularnej, zbiera swoją grupę 25 naukowców, aby porozmawiać. Jeden po drugim udają się do sali konferencyjnej. Williams wchodzi punktualnie, siada z przodu i odchyla się do tyłu, marszcząc brwi i splecione ręce. Został zatrudniony przez HP w 1995 roku, aby ponownie przemyśleć podstawy informatyki i specjalnie do tego celu wybrał zespół w tym pomieszczeniu. Williams lubi nosić dżinsy, a jego włosy sięgają połowy pleców, więc daje pierwsze, przelotne wrażenie spokoju i nieformalności. Ale najwyraźniej nigdy się nie uśmiecha, a jego ludzie pracują 19 godzin dziennie, aby dotrzymać terminów. Williams czeka kilka minut na zwyczajowych spóźnialskich, po czym wstaje. Mówi sprawnie monotonnie.

Dzisiaj najpierw usłyszymy od Gun-Younga, mówi. To, co osiągnął, jest wspaniałe. Wszyscy są mu winni obiad, ponieważ jego ciężka praca opłaciła nam pensje przez ostatnie kilka miesięcy.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2003 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Gun-Young Jung, niedawno podoktorancki z Korei Południowej, wstaje i po cichu opisuje swoją pracę nad litografią nanoimprint, procesem, który wykorzystuje fizyczną formę do tworzenia na waflach krzemowych elementów o średnicy zaledwie sześciu nanometrów. To o ponad rząd wielkości mniej niż najlepsze funkcje, jakie można uzyskać przy użyciu współczesnych zaawansowanych procesów fotolitograficznych. Czasami jednak wszystko przykleja się do formy. To jak ciasto przyklejające się do patelni, mówi. Jego prezentacja trwa około dziesięciu minut, a po niej następują dwie inne.

Słuchanie tych głośników, jeden po drugim, stopniowo oddaje poczucie stylu grupy. Lubią autodeprecjonujący humor i wstrzykują częste oszołomienie w swoje naukowe wyjaśnienia, jakbym nie wiedział, a to wciąż tajemnica i nadal muszę to zbadać, a nawet ja wciąż jestem całkiem nowicjuszem. I pomimo ich oczywistej wiedzy fachowej, nie jest to fałszywa skromność.

Przed grupą Williamsa stoi monumentalne zadanie: próba stworzenia komputerów, których funkcjonalność opiera się na działaniu molekuł. Zrobienie tego będzie oznaczało wynalezienie tranzystora na nowo. Podczas gdy krzem i inne nieorganiczne półprzewodniki zawsze były podstawowymi elementami budulcowymi mikrochipów, okazuje się, że cząsteczki organiczne mogą również mieć pewne potencjalnie przydatne właściwości elektryczne. Rzeczywiście, w ciągu ostatnich kilku lat naukowcy nauczyli się syntetyzować molekuły, które mogą działać jako przełączniki elektroniczne, utrzymując w pamięci binarne jedynek lub zer lub biorąc udział w operacjach logicznych. A cząsteczki mają jedną istotną zaletę: są naprawdę małe.

Taka praca ma kluczowe znaczenie dla przyszłości informatyki, ponieważ konwencjonalna technologia wytwarzania chipów jest na kursie kolizyjnym z ekonomią. Najlepsze współczesne chipy komputerowe mają cechy krzemu o wielkości zaledwie 90 nanometrów. Ale im mniejsze cechy, tym droższy sprzęt optyczny potrzebny do ich produkcji. Budowa supernowoczesnej fabryki mikroprocesorów krzemowych kosztuje obecnie około 3 miliardy dolarów. Z drugiej strony chip, w którym tranzystory krzemowe są zastępowane urządzeniami molekularnymi, można by w zasadzie wytworzyć w prostym procesie chemicznym, równie tanim jak robienie klisz fotograficznych. Obwód z 10 miliardami przełączników mógłby w końcu zmieścić się na ziarnku soli; to tysiąc razy większa gęstość tranzystorów w dzisiejszych najlepszych komputerach. Komputer zbudowany z takich obwodów mógłby w ciągu kilku sekund przeszukiwać miliardy dokumentów lub tysiące godzin nagrań wideo, przeprowadzać bardzo dokładne symulacje i przewidywania pogody i innych zjawisk fizycznych oraz znacznie lepiej naśladować ludzką inteligencję, a może nawet komunikować się z nami za pośrednictwem naturalna rozmowa.

Ale bez względu na to, jak kusząca teoretycznie, są to spekulacyjne, błękitne niebo, a inwestowanie w elektronikę molekularną jest hazardem, na który kilka firm jest gotowych. Zaufanie HP do Williamsa jest ważnym powodem, dla którego jest to jeden z wyjątków, mówi Shane Robison, wiceprezes wykonawczy firmy oraz dyrektor ds. strategii i technologii. Oprócz zdolności do zebrania najwyższej klasy zespołu interdyscyplinarnych ekspertów i nacisku na to, jak przekształcić naukę i technologię w prawdziwe produkty, najlepszą jakością Stana jest prawdopodobnie jego wieczny optymizm, mówi Robison. Oczywiście istnieje również pokusa ogromnych zysków, gdyby technologia Williamsa kiedykolwiek wyparła konwencjonalne chipy krzemowe. Tak ambitne projekty są zawsze dalekie, ale nie robilibyśmy tego, gdybyśmy nie sądzili, że istnieje duża szansa na sukces, mówi Robison.

Aby mieć pewność, firma zabezpieczyła swój zakład, ostrożnie z finansowaniem. Grupa Williamsa ma czteroletni grant w wysokości 12,5 miliona dolarów od amerykańskiej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA), a HP zapewnia fundusze uzupełniające, ale około połowa funduszy DARPA trafia do uniwersyteckich partnerów badawczych. Oznaki oszczędności są wszędzie w laboratorium, od niedoboru zapasów w kawiarni po sprzęt przygotowany przez ławę przysięgłych. Niemniej jednak grupa dokonała jednego przełomu po drugim, w szczególności udowadniając, że projekt krzyża, niegdyś powszechny w konwencjonalnej elektronice, może zostać wskrzeszony w skali molekularnej. W zeszłorocznej demonstracji grupa uwięziła cząsteczki w złączach między nanoprzewodami tytanowymi i platynowymi ułożonymi w siatkę o wymiarach osiem na osiem o powierzchni jednego mikrometra kwadratowego i wykazała, że ​​molekuły można włączać i wyłączać w określonych złączach. pierwszy krok w budowie pamięci roboczej lub urządzenia logicznego.

Praca w ciemno

Spędź trochę czasu w laboratorium Williamsa, a zaczniesz rozumieć, dlaczego wiele o elektronice molekularnej nadal pozostaje tajemnicą, zaczynając od stosunkowo prostego pytania, co dokładnie budują naukowcy. Yong Chen, pochodzący z Chin i członek grupy Williamsa od 1998 roku, spędza dużo czasu siedząc w dusznym, pozbawionym okien pokoju o powierzchni dziewięciu metrów kwadratowych, wyściełanym grubą pianką. Jest to dom delikatnego mikroskopu elektronowego, który wykorzystuje wiązki elektronów do stworzenia przybliżonego obrazu struktur, które Chen tworzy w laboratorium w korytarzu.

Chen jest liderem zespołu, który zapewnił grupie największy dotychczasowy sukces publiczny, 64-bitową pamięć krzyżową. Jego zespół najpierw odcisnął osiem równoległych nanoprzewodów wykonanych z tytanu i platyny na podłożu krzemowym i pokrył te przewody warstwą syntetycznego związku chemicznego o nazwie rotaksan o grubości jednej cząsteczki. Następnie umieścili drugi zestaw drutów tytanowych prostopadle do pierwszego, stwarzając możliwość połączenia elektrycznego między drutami w dowolnym połączeniu w siatce.

Każda cząsteczka rotaksanu — wynaleziona przez chemika Frasera Stoddarta z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles — składa się z długiej osi z dwoma bryłami atomów na każdym końcu i pierścieniem atomów krążącym wokół osi. Grupy Stoddarta i Williamsa wysuwają teorię, że gdy napięcie jest przykładane przez określoną, przecinającą się parę nanodrutów, pierścienie na cząsteczkach rotaksanu między przewodami przeskakują z jednego końca osi na drugi i pozostają tam, aż do przyłożenia kolejnego napięcia. Mogłoby to podnieść lub obniżyć odporność cząsteczek na prąd elektryczny, a te dwa stany przewodnictwa reprezentowałyby cyfrowe jedynki lub zera. Teraz Chen, chcąc zobaczyć, jak małe może zrobić takie urządzenie, próbuje drukować poszczególne przewody jeszcze bliżej siebie. To żmudna praca, w której nigdy nie wiesz, czy robisz postępy, dopóki nie zadziała.

Dzisiaj Chen jest z otwartymi ustami, zachwycony, skupia całą uwagę na monitorze przed sobą, jednocześnie starając się prowadzić rozmowę. Nie do końca mu się to udaje. Kilka minut mija spokojnie, gdy w powietrzu unosi się pytanie bez odpowiedzi. Zwiększa powiększenie mikroskopu, przeszukując serię rozmytych, szaro-szarych obrazów, które wyglądają jak zdjęcia satelitarne pustyni.

Po zakończeniu procesu produkcyjnego przychodzimy tutaj, aby sprawdzić, co mamy – mówi. Chcę zobaczyć, czy przewód jest uziemiony do podłoża, czy zawieszony nad nim. Jest jeden. Ups, zgubiłem to.

W końcu znajduje coś, co wygląda jak pręt zbrojeniowy na stosie pyłu węglowego, ale w rzeczywistości jest drutem o szerokości 35 nanometrów, spoczywającym na silikonowej podstawie. Robi zdjęcie, znowu milczy, wstrzymuje oddech, ponieważ fale dźwiękowe wpływają na jakość obrazu.

Możemy teraz porozmawiać, mówi. Tutaj faktycznie widać, że ten przewód jest zepsuty. Szkoda. Szczerze mówiąc, to rutynowy eksperyment. Celem Chena jest znalezienie kombinacji materiałów – przepisu, jeśli wolisz – które nada formie nieprzywierającej podobnej do teflonu, która osadza druty na podłożu; w przeciwnym razie wybrzuszają się i skręcają po usunięciu formy. Ale siedząc w wyciszonym, pokrytym pianką pokoju, obserwując jednego z czołowych naukowców w tej dziedzinie, przeszukującego ziarniste obrazy, zdajesz sobie sprawę, jak trudna jest praca na taką skalę. Trzy tygodnie później, po pięciu miesiącach żmudnych eksperymentów i obserwacji, Chen i Gun-Young Jung osiągnęli wynik, którego szukali, przybliżając o krok możliwości obwodów molekularnych.

Przeliczyłem kilka rzeczy, mówi po prostu Chen.

Teraz może przejść do następnego problemu.

Zamiana miejsc

Obserwacja wyników jest oczywiście ostatnim krokiem w ciągu zdarzeń, który tradycyjnie zaczyna się od teorii tego, jak rzeczy powinny się zachowywać. Jednak w przypadku elektroniki molekularnej bardzo niewiele przeszło prostą drogą od teorii do eksperymentu i do wyniku. Teorie mogą gnić latami, czekając na narzędzia wystarczająco precyzyjne, aby je przetestować. W rzeczywistości chemicy po raz pierwszy zaproponowali ideę elektroniki molekularnej w połowie lat 70., ale upłynęło kolejne 20 lat, zanim ktokolwiek mógł zacząć wprowadzać ją w życie. Ostatnio jednak wyniki eksperymentów zaczęły przeskakiwać zdolność teoretyków do ich wyjaśniania.

Jedną z zagadek jest brak konsekwencji w pomiarach wyników eksperymentów, od laboratorium do laboratorium, a nawet od eksperymentu do eksperymentu. Alex Bratkovsky, fizyk teoretyczny pochodzący z Moskwy, który dołączył do HP w 1996 roku, mówi, że był jednym z pierwszych, którzy zdali sobie sprawę, że orientacja cząsteczki między metalowymi elektrodami ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia jej właściwości przełączania. Prąd w ogromnym stopniu zależy od tego, jak cząsteczka łączy się z podłożem, mówi Bratkovsky. Sygnał może zniknąć, a następnie wrócić, w zależności od położenia cząsteczki. Przez dłuższy czas ignorowaliśmy ten fakt. Ponieważ kontrolowanie orientacji cząsteczki wciąż wykracza poza obecne narzędzia eksperymentalne, wyniki różnią się znacznie w zależności od laboratorium, a naukowcy muszą w wielu przypadkach ocenić, czy różnice między ich wynikami mają prawdziwe znaczenie lub można je wytłumaczyć efektami, które wciąż pozostają poza kontrolą eksperymentalną.

Aby zrozumieć zjawisko przełączania, naukowcy z HP badają szereg nowych cząsteczek, które mogą być kontrolowane łatwiej niż rotaksan, mówi Bratkovsky. Niektóre z nich są już opracowywane, ale postęp jest powolny. Zaprojektowanie, symulacja, synteza i wreszcie przetestowanie molekuły pod kątem jej właściwości elektronicznych może zająć ponad dwa lata – po czym badacze mogą zacząć wszystko od nowa.

Po drugiej stronie korytarza od Bratkovsky'ego Duncan Stewart, fizyk eksperymentalny zatrudniony niedawno przez laboratorium Williamsa, spędził ponad sześć miesięcy na kontrariańskim eksperymencie, który pomógł zbadać, dlaczego niektóre cząsteczki mogą działać jak przełączniki molekularne, zmieniając swoje przewodnictwo w odpowiedzi na przyłożone napięcie. Zamiast zaprojektowanych cząsteczek, takich jak rotaksan, Stewart użył prostej cząsteczki węglowodoru składającej się z łańcucha 18 węgli otoczonych atomami wodoru. Stewart nazywa to Plain Jane świata molekularnego. Jest stabilny, obojętny i teoretycznie nie powinien mieć interesujących właściwości elektronicznych. Ale i tak się zmieniło.

Mam mnóstwo danych, a historia jest taka, że ​​dane nie pasują do żadnego modelu ani żadnej istniejącej teorii. Więc nawet w najprostszym przypadku nie rozumiemy, jak elektrony przemieszczają się przez cząsteczkę, mówi. Czasami jest to niezwykle frustrujące. Trzeba być bardzo upartym, walić głową o ścianę przez sześć miesięcy, aż w końcu jedna cegła się ruszy, aż w końcu cała ściana się rozpadnie i widać kolejną.

Pył w maszynie

Jeśli materiały badane przez tych badaczy wydają się zaskakujące i nieprzewidywalne, maszyny, których używają, są tym bardziej. Postęp w elektronice molekularnej jest często zdany na łaskę nieprzewidywalnych usterek w sprzęcie doświadczalnym. To przecież nauka laboratoryjna, a nie inżynieria.

Tan Ha, pochodzący z Wietnamu, odpowiada za sprzęt używany w czystym pomieszczeniu laboratorium. Dwa lub trzy razy dziennie wkłada kombinezon do pomieszczeń czystych i wchodzi do pokoju, aby przetestować, dostosować i zmodyfikować sprzęt do tego, co w wielu przypadkach jest pierwszym w swoim rodzaju eksperymentem. Ubieramy się. Teraz jesteśmy gotowi do wojny chemicznej, mówi. Maska na jego twarzy utrudnia ocenę, czy żartuje.

Po wejściu do środka tworzymy linię do maszyny zwanej reaktorem do chemicznego osadzania z fazy gazowej. Z boku wygląda jak duży stalowy cylinder, zatopiony w szkle. Mam szczególny związek z tą maszyną, mówi i dotyka szkła dłonią w rękawiczce.

Ten typ reaktora jest standardową taryfą w zakładach produkujących półprzewodniki, ale Ha zmodyfikował maszynę, aby przeprowadzić ultraprecyzyjne eksperymenty wymagane przez Teda Kaminsa, członka grupy Williamsa od 1995 roku. Kamins przez lata pracował nad ostatecznym marzeniem nanobadań: urządzenia rosną w pożądane struktury, zamiast budować je kawałek po kawałku. Jego celem jest wyhodowanie nanoprzewodów wymaganych przez elektronikę molekularną, jako alternatywy dla litografii nanoodciskowej. Do tej pory Kamins zsyntetyzował druty o średnicy zaledwie 10 nanometrów, wystawiając nanocząsteczki różnych materiałów na działanie mieszaniny gazów w reaktorze osadzania. W następującej reakcji, wokół cząsteczek wyrastają długie łańcuchy krzemu, tworząc coś, co pod mikroskopem elektronowym wygląda jak las igieł.

Wyhodowanie przewodów wymaganych w elektronice molekularnej jest ekscytującym zajęciem, ale szczególne eksperymenty Kamina prawie się nie odbyły. Ha mówi mi, że spędził ponad rok swojego życia, próbując sprawić, by maszyna działała. Za każdym razem, gdy przeprowadzaliśmy eksperyment, zanieczyszczenie niszczyło proces, mówi. Nie chodziło o to, że maszyna była zepsuta; po prostu nikt nigdy nie musiał przeprowadzać eksperymentów, które chciał przeprowadzić Kamin. To musiał być dla mnie program duchowy, mówi Ha. Ted był sfrustrowany. Ja też. Byłbym tu na kolanach przez cały dzień, modyfikując rzeczy śruba po śrubie. W nocy kładłem się spać, zamykałem oczy i widziałem na powiekach schemat hydrauliczny. Okazało się, że to problem w układzie wydechowym. Poszedłem do domu i powiedziałem mojej żonie: To wszystko; Jestem sprawdzonym inżynierem sprzętu”. Tak bardzo się ucieszyłem.

Wybór zwycięzcy

Ku rozczarowaniu Duncana Stewarta, Williams poprosił go, aby po sześciu miesiącach opublikował wyniki z cząsteczką węglowodoru i skoncentrował się na innych pracach. Jednak Williams zachęcał Ha, aby przez rok pracował na kolanach i marzył o schematach hydraulicznych, na eksperymenty, które według szacunków Williamsa są co najmniej sześć lat od realizacji i mogą nigdy nie przynieść praktycznego rezultatu. W morzu konkurencyjnych teorii i możliwości oraz przy naciskach budżetowych, na które narzeka z pewną regularnością, jak podejmuje decyzje?

To kwestia doświadczenia, mówi Williams. W swojej karierze wielokrotnie przemierzałem wiele ślepych uliczek. Są takie kuszące. Możesz wejść w te rzeczy i pomyśleć, okej, jeszcze jeden krok, jeszcze jeden krok. Wydaje się, że inne rzeczy zmierzają w dobrym kierunku i widzę, dokąd zmierzamy. Innymi słowy, nauczył się ufać swojej intuicji, ponieważ to wszystko, co ma. Przeszedłem przez ten cykl wiele razy.

Najdłuższym zaangażowaniem Williamsa w jakąkolwiek ideę w elektronice molekularnej jest architektura poprzeczna. Ale przyznaje, że nawet ten pomysł może być ślepą uliczką. Czy kiedykolwiek będzie możliwe, na przykład, czyste uwięzienie cząsteczek na styku dwóch przewodów z całkowitą pewnością ich orientacji? Następnie pojawia się praktyczny problem wzmocnienia lub zamiany słabego sygnału elektrycznego na mocny sygnał wyjściowy; jest to kluczowa zdolność potrzebna zarówno do wykonywania operacji logicznych, jak i do wzmacniania niewielkich prądów przepływających przez przełączniki molekularne, tak aby konwencjonalne systemy krzemowe mogły je wykryć. I to jest problem bez żadnego rozwiązania.

Stan jest mądrym facetem, niech go Bóg błogosławi, a jeśli ktokolwiek potrafi rozwiązać te problemy, będzie to jego zespół, mówi James Tour, chemik z Rice University, który pracuje nad konkurencyjnym podejściem do obliczeń molekularnych. Ale ma trudny problem. Na każdym skrzyżowaniu cząsteczki muszą być stabilne. Następnie muszą połączyć się ze wszystkimi wychodzącymi przewodami. Jest to ogromny koszt. Mają strome wzgórze, na które trzeba się wspiąć.

Z pewnością jest możliwe, że się mylimy, przyznaje Williams. Potem kręci głową i na chwilę przestaje być pokorny.

Nie sądzę, mówi. Myślę, że wybraliśmy zwycięzcę, coś, co pozwoli temu, co nazywamy prawem Moore'a trwać przez kolejne 50 lat. Kiedyś myślałem, że to niemożliwe. Teraz myślę, że to nieuniknione.

Alternatywy dla krzemu
Technologia	elementy obliczeniowe	Instytucje wiodące
Obliczanie DNA	Nici DNA i RNA w roztworze	Uniwersytet Południowy Kalifornia, Weizmann Instytut Nauki
Molekularne urządzenia elektroniczne	Cząsteczki, takie jak rotaksan	Uniwersytet Hewlett-Packard, Yale
Nanokomórki	Nanocząstki złota osadzone w losowych macierzach	Uniwersytet Ryżowy
Elementy elektroniczne z nanorurek	Nanorurki węglowe pełniące rolę tranzystorów, pamięci i przewodów	IBM, Uniwersytet Harvarda, NASA Centrum Badawcze Ames
Obliczenia kwantowe	Kwantowe właściwości elektronów i cząsteczek	MIT, IBM, Hewlett-Packard, Krajowy Instytut Norm i technologia

ukryć