Молекулярный ключ для микросхем будущего

Над принципиально новыми концепциями построения различных элементов микросхем ученые и инженеры бьются давно. Подгоняет их «закон Мура»: считается, что физический предел, после которого современные технологии не позволят делать транзисторы и микросхемы все меньше и меньше, будет достигнут уже через 10 лет. Но меньше – значит, быстрее и дешевле. Поэтому ученые не хотят мириться с природой и ищут новые подходы и принципы функционирования электронных устройств.

«Самая желанная цель нанотехнологий в том, чтобы использовать в электронике одиночные молекулы, -- говорит Мариус Трауборст (Marius Trouborst), -- и теперь эта цель стала на шаг ближе». Он посвятил свою кандидатскую диссертацию в Университете Гронингена (University of Groningen) в Нидерландах исследованию фундаментальных электрических свойств атомов и молекул. Но неожиданно для себя Мариус обнаружил эффект, который в будущем, возможно, станет использоваться в самых продвинутых технологиях.

Золотой ключик

В качестве одноатомного переключателя или, как говорят инженеры-схемотехники, ключа голландский аспирант и его коллеги из Гронингена и Лейдена использовали «контакт на микротрещине» или технику, которую часто называют английским словосочетанием «break junction». Для этого тоненький золотой волосок крепился к пластиковой планке. А та, в свою очередь, медленно изгибалась. В месте изгиба проволока постепенно утончалась, пока в самом узком месте толщина ее не достигала одного атома золота. Нечто подобное происходит, если растягивать жевательную резинку: в середине она становится все тоньше и тоньше и в конце концов рвется. Порвался и золотой волосок, только контролируемо. Ученые оставили между концами проволочек зазор всего в 1 ангстрем (это одна десятимиллиардная метра или 0,1 популярного сейчас нанометра).

В таком «разомкнутом» состоянии золотой наноключ не проводит ток. А вот если с помощью сложной и очень точной механики пластинку, на которой лежит проволока, слегка разогнуть, сомкнув концы проволоки, то ток по золотому волоску пойдет. Ключ можно смыкать и размыкать много раз. Однако исследователи заметили, что сопротивление контакта каждый раз меняется, и атомы раз за разом перегруппируются по-разному. Но через некоторое время атомное структура контактирующих кончиков становится все более и более упорядоченной, и электронные характеристики контакта выравниваются. В итоге атомы укладываются в аккуратную пирамидку, вроде той, что мы разбиваем на бильярдном столе, только трехмерную. Проводимость теперь обеспечивается контактом одноатомных вершин этих пирамидок, и сопротивление остается постоянным.

Такое постепенное самоупорядочение атомов само по себе очень элегантное наблюдение. Кроме того, на основе этого эффекта уже можно создать атомарный ключ, который за счет очень небольшого, но суперточного изгиба полимерной подложки будет приводить переключатель в состояния «вкл» или «выкл». Не зря статья, посвященная этой работе, была опубликована в одном из самых уважаемых научных физических журналов Physical Review Letters.

Водородное сердце

Но Мариус Трауборст не остановился на достигнутом. Он решил, что до использования золотого наноключа в микросхемах еще далеко. А вот для фундаментальной физики в проблеме исследования электронных характеристик отдельной молекулы он может применить свое устройство уже сейчас.

Система, созданная Трауборстом, может использоваться как щипцы для «отлова» одиночных молекул. Если наложить на концы проволоки напряжение, то электроны будут двигаться по золотой проволоке и проходить через пойманную молекулу. Таким образом, появляется возможность измерить ее индивидуальные электронные характеристики.

Исследователь «поймал» своими щипцами молекулу водорода и стал пропускать через нее ток, постепенно увеличивая напряжение. В таком эксперименте в определенный момент молекула водорода начинает вибрировать – колебаться между пирамидальными золотыми кончиками удерживающих ее щипцов. Тогда ее сопротивление внезапно и резко падает. Гронингенский аспирант, сам того не ведая, создал принципиально новый молекулярный ключ. «Вы можете очень просто включать или выключать систему, всего лишь делая молекулу вибрирующей либо нет, -- описывает свою находку Трауборст. -- Такой тип ключа ранее никто не демонстрировал». И действительно, изобретение уникальное – ведь в отличие от золотого «контакта на микротрещине» здесь не надо сводить или разводить контакты, а значит, использовать точные и сложные механические системы. Все переключение выполняется регулировкой электрических характеристик.

Причины неясны

Природу наблюдаемого феномена ни Трауборст, ни его коллеги объяснить пока не берутся. Возможно, считают они, молекула водорода под действием напряжения совершает некий переход от одного энергетического уровня к другому, изменяющий ее характеристики. Еще много исследований потребуется, чтобы объяснить данный эффект -- и еще больше для того, чтобы внедрить подобные системы в жизнь. Однако одно уже ясно – найдено новое решение, которое с большой вероятностью пригодится для электроники следующих поколений.

Через неделю, 30 января 2009 года Мариусу Трауборсту, успешно защитившему свою работу, будет присуждена кандидатская степень. На сайте Университета Гронингена опубликован пресс-релиз, посвященный его диссертации. Но уже сейчас он переехал из Голландии в Швейцарию и начал работу в одной из престижнейших материаловедческих лабораторий мира – Цюрихской исследовательской лаборатории IBM. Возможно, там он продолжит работать над своим молекулярным ключом, и вскоре мы увидим его систему в действии. А может быть, Мариус Трауборст применит полученные опыт и знания в создании совершенно новых наноустройств.