Нью-Хейвен, Коннектикут. Исследователям из Йельского университета впервые удалось измерить электрический ток, протекающий через одну органическую молекулу, расположенную между металлическими электродами. По словам инженера-электрика из Йельского университета Марка А. Рида, руководителя группы, этот подвиг может проложить путь к радикально новому поколению транзисторов, настолько маленьких, что полный химический стакан будет содержать больше транзисторов, чем существует сегодня в мире.
Достижение, о котором было объявлено в номере журнала Science от 10 октября, является фундаментальным шагом к созданию компьютеров и датчиков, которые меньше, быстрее и дешевле, чем современные компьютеры на основе кремния, сказал профессор Рид. Следующим шагом будет разработка компьютерных чипов, провода которых состоят из самособирающихся цепочек органических молекул, которые растут в стакане, поскольку провода были бы слишком малы, чтобы их можно было производить каким-либо другим способом. Органические провода будут прилипать к металлическим электродам, что является революционной стратегией изготовления электронных устройств, на которую профессор Рид и Йель владеют совместным патентом.
«Ученые перешли от одного транзистора на одном кристалле к десяткам миллионов. Теперь мы готовы перейти к миллиардам транзисторов на одном кристалле», - сказал профессор Рид, эксперт по нанотехнологиям, работающий с электрическими компонентами только около одного -миллиардная часть метра шириной (один нанометр), или ширина около трех атомов. Он и его коллеги изучали квантово-механические эффекты, которые становятся решающими в таких малых масштабах.
Он предупредил, однако, что не стоит ожидать увидеть органические схемы в следующем году в местном магазине электроники. «Точно так же, как с момента открытия первого транзистора до создания первой интегральной схемы прошло десятилетие, так и нам может потребоваться десятилетие, чтобы научиться делать полезные устройства из квантовых компонентов, изготовленных из органических соединений», - сказал профессор Рид, председатель отдела электротехники. факультет Йельского университета.«Но успех будет означать не только революционные изменения, но и революционный скачок в компьютерных технологиях».
Чтобы зафиксировать историческое измерение тока через одну органическую молекулу, исследователи создали механически управляемый разрыв соединения, приклеив золотую проволоку с надрезом к гибкой подложке, а затем разорвав проволоку, чтобы создать регулируемый зазор. Затем они поместили одну молекулу бензола (гексагональное кольцо, состоящее из шести атомов углерода и шести атомов водорода) с двумя липкими атомами серы по бокам между двумя золотыми электродами. Процесс требовал самосборки молекул бензола на электродах.
Соавторами были аспирант Чонг Во-Чжоу и бывший научный сотрудник Си Джей Мюллер, оба из Йельского университета; и профессор химии Джеймс М. Тур и аспирант Тимоти П. Бургин из Университета Южной Каролины.
Преодоление стоимости миниатюризации
Органические транзисторы могут заменить сегодняшние кремниевые полупроводники, которые быстро достигают точки, когда дальнейшая миниатюризация становится слишком дорогостоящей.«Сейчас можно производить тысячи кремниевых транзисторов менее чем за пенни, но резкое снижение стоимости транзистора, которым мы наслаждались в течение последних двух десятилетий, скоро начнет замедляться», - сказал профессор Рид. «Нанотехнологии могут стать решением, если мы сможем преодолеть препятствия».
Возможно, самым большим препятствием, которое профессор Рид должен преодолеть, чтобы создать полезные квантовые устройства, является поиск более эффективных и быстрых способов изготовления больших количеств. Квантовые устройства изготавливаются индивидуально с помощью процесса, называемого электронно-лучевой литографией, но создание миллиардов транзисторов таким образом «было бы равносильно вырезанию всех книг в Библиотеке Конгресса из цельного куска дерева или вырезанию моста из куска стали», - сказал он.
Ответ заключается в том, чтобы найти материалы, которые будут собираться в квантовые компоненты. «Когда вы готовите соус, миллиарды компонентов масла и муки собираются сами собой», - сказал он. «Наша цель - найти органические химические вещества, которые будут объединяться в субстрат проводящих молекул - цель, над достижением которой мы работали последние пять лет."
Среди творческих применений квантовых устройств, предложенных учеными, есть «интеллектуальные» компьютеры - компьютеры, которые могут учиться и рассуждать, как люди. Они будут построены из миллиардов квантовых транзисторов, связанных друг с другом реконфигурируемыми взаимосвязями, так что каждый транзистор будет функционировать как нейрон в мозгу. Возможно, даже получится смешать электронику с биологическими системами, заставив поврежденные нервы регенерировать с помощью пористых квантовых компьютерных чипов, чтобы человеческий мозг можно было соединить с искусственными конечностями.
Квантовые компоненты также могут быть преобразованы в материалы, способные поглощать и излучать свет на любых длинах волн, указанных их разработчиками, и «могут стать основой для полупроводниковых лазеров, более эффективных и более точно настроенных, чем любые существующие сейчас», - сказал профессор Рид, добавив что лазерные диоды, используемые в проигрывателях компакт-дисков и чувствительных микроволновых приемниках в спутниковых тарелках, являются относительно простым применением квантовой технологии, разработанной 20 лет назад.
Больше похоже на волны, чем на частицы При работе с квантовыми компонентами мы должны иметь дело со специальными законами физики, которыми можно пренебречь при работе с более крупными компонентами. Например, электроны ведут себя больше как волны, чем частицы в квантовых масштабах, и могут делать неожиданные вещи, такие как туннелирование через барьеры», - сказал профессор Рид. «Благодаря мощным сканирующим туннельным микроскопам мы наблюдали поведение, которое чрезвычайно удивило нас и заставило осознать, как мало мы понимаем квантовую механику в очень маленьких электронных устройствах».
Понимание квантовой механики имеет решающее значение в специальности профессора Рида - "низкоразмерной" электронике. Его устройства предотвращают движение электронов в некоторых или во всех трех измерениях природы. Например, электроны, заключенные в плоскости, сделанной из очень тонкой пленки, могут свободно двигаться только в двух измерениях, поскольку они не могут двигаться перпендикулярно плоскости. Те, кто заключен в чрезвычайно тонкую квантовую проволоку, могут свободно двигаться только в одном измерении, в то время как электроны, пойманные в ловушку в квантовой «точке», не могут двигаться вообще - они могут свободно двигаться в нулевых измерениях.
Профессор Рид, который изобрел первую квантовую точку в 1988 году, вырезав столбик в полупроводниковой подложке с помощью литографии, сказал, что самые маленькие мыслимые транзисторы будут состоять из квантовых точек, соединенных в цепь, где каждая точка будет удерживать один электрон.
"Более 35 лет назад американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман впервые описал захватывающие возможности, которые откроются, когда мы обретем способность манипулировать материей в атомном масштабе", - сказал профессор Рид, чьи исследования финансируются за счет четырехлетнего гранта Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA). «Выступление Фейнмана было озаглавлено «На дне много места» - пространство для дальнейшего роста, новых прорывов. В электронике мы, наконец, достигли дна, как предсказывал Фейнман».