Jakub S. Prauzner-Bechcicki

My, użytkownicy komputerów i wielu elektronicznych gadżetów, ze swego rodzaju pewnością przyjmujemy do wiadomości fakt, że danego roku zostanie wprowadzony na rynek nowy typ procesora lub, że ta, czy inna firma ogłasza odsłonę kolejnej wersji swojego tableta tudzież smarfona. Myślę, że niewielu z nas zadaje sobie pytanie czy są jakieś ograniczenia dla postępu technologii komputerowych (czy wręcz dla elektroniki w ogólności). Przypuszczam, iż wielu entuzjastów techniki komputerowej słyszało, może czytało o prawie Moora [i], lecz nieliczni wybiegają myślą naprzód i próbują dostrzec jego ograniczenia. Wśród tych nielicznych jest między innymi grupa pracowników Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, którzy są członkami międzynarodowego konsorcjum prowadzącego poszukiwania alternatyw dla wszechogarniającej elektroniki „krzemowej". Ów międzynarodowy zespół pod kierownictwem prof. Christiana Joachima pracuje nad rozwiązaniami znanymi w świecie naukowym pod nazwami elektroniki monomolekularnej oraz technologii urządzeń w skali molekularnej i atomowej. Ich idee, choć mogą brzmieć jak wyjęte z powieści science-fiction, są tak przekonywujące, że organa decydujące w Unii Europejskiej o finansowaniu badań naukowych przeznaczyły na projekt realizowany przez konsorcjum 6,9 mln € dotacji. Projekt nosi wdzięczną nazwę AtMol, która jest akronimem od pełnego tytułu projektu „Atomic Scale and single Molecule Logic gate Technologies" [ii].

Przybliżmy nieco projekt AtMol. O tym, że obecnie wpływ elektroniki na wiele obszarów naszego życia jest przemożny, nie trzeba chyba nikogo specjalnie przekonywać. Pierwsze skojarzenia kierują nas w stronę zastosowań informatycznych i telekomunikacyjnych. Po chwili zastanowienia do listy dopiszemy zastosowania w sektorach transportu, bezpieczeństwa, energetycznym, a nawet opieki zdrowotnej. W obecnej formule, rozwój elektroniki jest bezwzględnie związany z miniaturyzacją tranzystora, stanowiącego najbardziej podstawową cegiełkę praktycznie każdego urządzenia. Szybkimi krokami zbliżamy się jednak do granic możliwości dalszej miniaturyzacji tego urządzenia. Ujmując to w bardzo uproszczony sposób: istnieje pewna minimalna liczba atomów, które będą tworzyć strukturę tranzystora, tak jak ją rozumiemy dzisiaj. Stąd też, konieczne jest analizowanie alternatywnych ścieżek rozwoju. Można by rzec, że ilu jest uczonych zajmujących się tą tematyką, tyleż też może być nowatorskich koncepcji. Nie sposób wymienić wszystkich możliwości. Można na przykład wprowadzać nowe materiały do tradycyjnej technologii krzemowej, tworząc w ten sposób rozwiązania hybrydowe (np. organiczny tranzystor polowy). Inną drogą rozwoju jest wykorzystanie memristora [1, 2], kolejną komputery kwantowe [3]. Projekt AtMol jako punkt startowy przyjmuje inną koncepcję. Mianowicie, aby wykorzystać pojedynczą molekułę jako podzespół w urządzeniu elektronicznym, np. jako tranzystor czy wręcz procesor. Pomysł ów ma swoje źródło w pionierskiej pracy Avirama i Ratnera, zawierającej przykład molekularnego prostownika[4], rozwiniętej następnie w dwa różne podejścia do elektroniki molekularnej, tzw. hybrydowe i monomolekularne [5]. I to właśnie ta ostatnia propozycja jest trzonem projektu AtMol, jest to niejako całkiem nowy modus operandi w elektronice: zawrzeć podstawowe funkcje logiczne, potrzebne do realizacji danej operacji wewnątrz pojedynczej molekuły. Uczestnik projektu, grupa z Singapuru przedstawiła całkiem niedawno eksperymenty, w których demonstruje działającą na tej zasadzie bramkę NOR [6, 7].

Wśród wielu wyzwań, które stoją na drodze do realizacji urządzeń działających w oparciu o wyżej opisaną koncepcję, jest wiele takich, które dotyczą badań podstawowych, jak również wiele takich, które można śmiało już zaliczyć do zagadnień technologicznych. Bardzo trudno jest przeanalizować z wyprzedzeniem wszystkie trudności na jakie natrafi się w trakcie prac na monomolekularną elektroniką. Niemniej jednak, można wymienić trzy kluczowe aspekty, które równocześnie stanowią oś prowadzonych w Zakładzie Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii badań. Należą do nich: manipulacja i charakteryzacja pojedynczych molekuł, zagadnienia związane niezawodnością przyszłego urządzenia monomolekularnego oraz kwestia komunikacji pomiędzy światem zewnętrznym a urządzeniem. Pierwsza kwestia jest ściśle związana z rozwojem technik mikroskopii sondy skanującej, w tym szczególnie z mikroskopią tunelową i sił atomowych. Drugi problem jest związany z oddziaływaniami molekuł z powierzchnią, na której zostały zaadsorbowane.

W wyniku zbyt dużego sprzężenia pomiędzy podłożem a zaadsorbowaną na nim molekułą, może dochodzić do zmiany własności molekuły, a co za tym idzie również do zmian działania przyszłego urządzenia monomolekularnego. Stąd też poznanie mechanizmów oddziaływania molekuł z powierzchnią, jak również opracowanie skutecznych metod modyfikowania tych oddziaływań jest jak najbardziej pożądane. Konieczność pracy nad ostatnim zagadnieniem jest dość oczywista, trudno sobie bowiem wyobrazić pożytek z najlepszego nawet komputera, jeśli nie możemy obejrzeć wyników jego pracy. Problem komunikacji z naszym przyszłym urządzeniem monomolekularnym jest daleki od trywialności. Połączenie skal nano i makro jest trudnym zadaniem, wymagającym opracowania wielu pośrednich stopni kontaktów elektrycznych od atomowych nanodrutów, poprzez molekularne przewody, metaliczne nanoelektrody, dalej do mikroelektrod. Powyższe zagadnienia zostały dokładniej przedyskutowane, skonfrontowane z obecnymi osiągnięciami oraz otwartymi problemami w opublikowanym niedawno w Physica Status Solidi (a) artykule przeglądowym pracowników Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii [8].

Kontakt: dr Jakub S. Prauzner-Bechcicki

e-mail: jakub.prauzner-bechcicki@uj.edu.pl

[1] L.O. Chua, IEEE Transactions on Circuit Theory CT18 (1971) 507.

[2] D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams, Nature 453 (2008) 80-83.

[3] T.D. Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y. Nakamura, C. Monroe, J.L. O'Brien, Nature 464 (2010) 45-53.

[4] A. Aviram, M.A. Ratner, Chemical Physics Letters 29 (1974) 277-283.

[5] C. Joachim, J.K. Gimzewski, A. Aviram, Nature 408 (2000) 541-548.

[6] W.H. Soe, C. Manzano, A. De Sarkar, F. Ample, N. Chandrasekhar, N. Renaud, P. de Mendoza, A.M. Echavarren, M. Hliwa, C. Joachim, Physical Review B 83 (2011) 155443.

[7] W.-H. Soe, C. Manzano, N. Renaud, P. de Mendoza, A. De Sarkar, F. Ample, M. Hliwa, A.M. Echavarren, N. Chandrasekhar, C. Joachim, Acs Nano 5 (2011) 1436-1440.

[8] J.S. Prauzner-Bechcicki, S. Godlewski, M. Szymonski, physica status solidi (a) 209 (2012) 603–613

[i] Mniej więcej co dwa lata jest podwajana liczba tranzystorów w mikroprocesorach (http://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law)

[ii] www.atmol.eu