Nové technologie pro přenos informací II: Jednomolekulové tranzistory

Řešení problémů miniaturizace čipů dostala nový směr. Americkým vědcům se podařil husarský kousek: funkční tranzistory chtějí vyrábět z jednotlivých molekul. Jaké jsou přísliby nové technologie? Je třeba poznat i technologie nanorobotů blíže?

Jak bylo řečeno v prvním díle, miniaturizace čipů naráží na fyzikální překážky. Viděli jsme, jak problém řeší velké společnosti. Ke zvyšování rychlosti procesorů používají více procesorových jader, jiní plánují výrobu laserových čipů a jiní své naděje vkládají do nanotechnologií, a to zejména do využití uhlíkových nanotrubek v kombinaci s klasickou křemíkovou technologií. Na půdě nanotechnologií zůstaňme i dnes a podívejme se na jeden revoluční krok, který dle vědců pomůže s výrobou vskutku miniaturních součástek.

Pro připomenutí, v současnosti firmy Intel i AMD sestoupily k hranici geometrie tranzistorů kolem šedesáti pěti nanometrů, tedy šedesáti pěti miliardtin metru, kde však na konstruktéry začínají číhat fyzikální problémy s vedením elektrického proudu a objevují se také energetické ztráty.

V dubnu tohoto roku se mezinárodnímu týmu vědců podařil husarský kousek. Přišli s návodem, jak sestrojit diodu ­― ­jednu z hlavních součástek v elektronických zařízeních ― z jediné molekuly. Byl a stále to je první a důležitý krok k výrobě opravdu miniaturních součástek. Badatelům z Chicagské univerzity se podařilo sestrojit, ač to může znít velmi ztřeštěně, diodu o průměru několika desítek atomů. Teoretici z University of South Florida a Ruské akademie věd ve svém článku podali vysvětlení, jak tyto diody mohou pracovat. Dle nich elektronové energetické hladiny  v molekule představují efektivní kanály k přenosu elektronů mezi elektrodami. Asymetrický tvar molekul má pak za následek, že elektrony reagují na napětí taktéž asymetricky. Tato asymetrie pak přispívá k jevu, jemuž se přezdívá molekulové usměrňování; kanály vedou elektrony jedním směrem, ovšem při změně polarity napětí brání protékat proudu směrem druhým.

Už tehdy se mluvilo o tom, že jejich objev může být veledůležitý pro další vývoj počítačů. Díky nim by se Mooreův zákon nemusel obávat ztráty platnosti opravdu dlouhou dobu.

Nyní další odborníci pokročili ještě o kus dále. Chtějí vyrábět jednomolekulové tranzistory. Možná víte, že klasické polovodičové tranzistory jsou do jisté míry dvě spojené polovodičové diody (avšak leckteré vlastnosti tranzistorů dvěma spojenýma diodama získat nelze). Pokus o sestrojení jednomolekulových tranzistorů se tedy zdá jako logické vyústění skutečnosti, že si již podařilo vytvořit jednomolekulové diody. Fyzici z Arizonské univerzity požádali o patentovou ochranu svého nového zařízení, jemuž říkají Quantum Interference Effect Transistor (QuIET). Článek o svém objevu publikovali v on-line vydání magazínu Nano Letters, který vychází pod záštitou Americké chemické společnosti. Jak tvrdí, nové miniaturní tranzistory budou mít průměr kolem jednoho nanometru, čili jedné miliardtiny metru.

Jak bylo několikrát  řečeno, miniaturizace klasických tranzistorů začíná narážet na omezení, a jak vědci říkají, limitní hranicí, kdy již tranzistory nebudou skoro funkční a nevyplatí se jejich provoz, je hodnota kolem pětadvaceti nanometrů. Pomineme-li konstrukční problémy, zakopaný pes tkví v energetických nárocích; i kdyby se povedlo sestrojit supermoderní laptop, v němž by byly použity klasické tranzistory o velikosti jedné molekuly, k jeho provozu by bylo zapotřebí elektrické energie zásobující jedno velké město. Následkem takového přívalu energie by se laptop velmi pravděpodobně vypařil.

Fyzici z Arizonské univerzity, Charles Stafford, Sumit Mazumdar a David Cardamone, začali o problému příští generace tranzistorů přemýšlet již před třemi lety. Nakonec si uvědomili, že jim může pomoci kvantová mechanika. V jejím rámci přišli s nápadem, jak za pokojové teploty regulovat elektrický proud  v tranzistoru vyrobeném z jediné organické molekuly.

„Náš přístup nespočívá v použití hrubé síly, jde spíše o jakousi obratnost,“ říká Cardamone. „K zastavení proudu nestavíme [energetickou] zeď. Jenom jsme schopni regulovat vlny elektronů, které zapínají a vypínají tranzistor.“

Nejjednodušší molekula, ze které chtějí tranzistor vyrobit, je benzen, organická molekula mající tvar šestiúhelníku. K molekule chtějí připojit dva vodiče, které budou představovat dvě možné cesty, kterými může protékat elektrický proud. K molekule chtějí také připojit i třetí vodič, který hraje veledůležitou roli. Některým výzkumným skupinám se již podařilo dva vodiče připojit, ovšem s třetím byl vždy problém. Třetí vodič je právě „závěrkou“ v obvodu, tj. že ona  je zodpovědná za zapínání a vypínání tranzistoru.

Obr 1: Struktura benzenové molekuly

Kdybyste podobný obvod sestavili z klasických (makro)součástek, čímž není myšleno součástek nakoupených v Makru, ale „velkých“, proudy ve dvou hlavních vodičích by se sčítaly. Jelikož v říši jednomolekulových tranzistorů vládne kvantová mechanika, chování elektronů ― zde už ale hovořme o pravděpodobnostních vlnách elektronů ―  je jiné. Dvě pravděpodobnostní vlny elektronů (které udávají pravděpodobnost výskytu elektronu na daném místě) spolu interferují (podobně jako obyčejné vlny na hladině rybníka) a v případě, že se navzájem vyruší (tj. setkají-li se přesně s opačnou fází), proud obvodem neprotéká. Změna fází, s jakými se vlny setkávají, je klíčovým ovládacím mechanismem k zapínaní a vypínání tranzistoru. Nesetkají-li se vlny s opačnou fází, nevyruší se, ba se naopak mohou zesílit (viz obrázky).

Obr 2: Setkají-li se dvě vlny (značené červenou a modrou barvou) s opačnou fází, navzájem se vyruší (zelená). V případě benzenového tranzistoru to znamená, že obvodem neprotéká proud.

Obr 3: Setkají-li se dvě vlny (červená a modrá) se stejnou fází, navzájem se zesílí.

Obr 4: Obecný případ, kdy se dvě vlny setkají s různými fázemi. Někde se zesílí, jinde zeslabí, avšak nedochází ani k úplnému vyrušení, ani ke globálnímu zesílení.

„Trvalo jen chvíli, než jsme se od myšlenky, jak tohle všechno může fungovat, dostali k vývoji realistických výpočtů takového systému,“ říká Stafford. „Provedli jsme ty nejjednodušší výpočty na poli kvantové chemie, které opomíjely interakce mezi elektrony, během několika týdnů. Ale nějaký čas trvalo, že jsme zahrnuli i interakce elektronů, které demonstrují, že tohle je opravdu silné zařízení.“

Podle slov Stafforda většinou trvá zhruba deset let, že se nové myšlenky z vědeckých publikací dostanou na půdu komerčních technologických aplikací.

Dokud nejsou jednomolekulové tranzistory na světě, můžeme se jen dohadovat, co by jejich zavedení do světového průmyslu a vědy znamenalo. Jistě, fantazii se meze nekladou, ovšem přínos této technologie bude bezpochyby ohromný. Výpočetní síly počítačů enormně vzrostou, což využijí vědci z rozličných oblastní; meteorologové k lepšímu předpovídaní počasí, k přesnějším modelům následků globálního oteplování, astrofyzikové a kosmologové budou mít mnohem větší šanci vytvořit přesnější modely vesmíru, kataklyzmatických událostí, jakými jsou výbuchy supernov, fyzici zase mohou proniknout hlouběji do nitra hmoty a v medicíně nastane revoluce: nanopočítače budou moci vyvinout nové a účinné léky též založené na nanotechnologiích, může se splnit sen o nanorobotech, malých bijcích zákeřných onemocnění. Jen si představte superrychlé mikroprocesory připevněné třeba na „zádech“ bakterii E.coli, říkají vědci.

„V žádném případě nejsme futuristé a [takový vývoj] nemůžeme předvídat, ale představte si, že můžete vyrobit miniaturní inteligenci, která by byla v takové malé ponorce a která by vplula do něčích tepen a kapilár a 'opravovala' by je,“ uzavírá Stafford.

13. 10. 2006

Autor: Oldřich Klimánek