Μοριακοί ισχυροί υπολογιστές νανοκλίμακας

Από σελίδα του PhysicsWeb, 24 Οκτωβρίου 2002

Μια ομάδα ερευνητών στις ΗΠΑ έχει αναπτύξει ένα νέο είδος υπολογιστικής διαδικασίας, η οποία στηρίζεται στην κίνηση των μορίων παρά στη ροή των ηλεκτρονίων. Ο Andreas Heinrich και οι συνάδελφοι του στο Ερευνητικό Κέντρο Almaden της ΙΒΜ στην Καλιφόρνια έχουν καταδείξει πώς να κάνουν λογικές πύλες που χρησιμοποιούν έναν καταρράκτη μορίων μονοξειδίου του άνθρακα για να μεταφέρει δεδομένα. Οι συσκευές που γίνονται κατ' αυτό τον τρόπο έχουν διαστάσεις στην κλίμακα των nanometres (10^-9), μεγέθους αρκετές τάξεις  μικρότερες από τα υπάρχοντα συστατικά που βασίζονται στο πυρίτιο (A Heinrich στο περιοδικό Science ).

Η πυκνότητα των συστατικών στα μικροτσίπ πυριτίου έχει αυξηθεί εκθετικά, περισσότερο από τέσσερις δεκαετίες τώρα, αλλά αυτή η διαδικασία είναι πιθανό να επιβραδυνθεί όσο πλησιάζουμε τη νανοκλίμακα. Ο Heinrich και συνάδελφοι του έχουν δείξει πώς να υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα, σε γενικές γραμμές, με τη χρησιμοποίηση ενός ζεύγους, χαμηλής θερμοκρασίας, ηλεκτρονικών μικροσκοπίων σάρωσης, για να διευθετήσουν ζεύγη μορίων μονοξειδίου του άνθρακα σε μια επιφάνεια του χαλκού.

Αυτοί μετακίνησαν ένα απλό μόριο μονοξειδίου του άνθρακα παράλληλα με ένα από αυτά τα ζεύγη, έτσι ώστε τα τρία μόρια σχημάτισαν ένα σχήμα σαν την κεφαλή ενός βέλους (σαν σιρίτιο). Εντούτοις, αυτός ο σχηματισμός ήταν ασταθής επειδή αύξησε την ενέργεια του συστήματος. Το μόριο στην άκρη του σιριτιού επομένως πήδησε στο επόμενο ζεύγος των μορίων, δημιουργώντας ένα νέο σιρίτιο, το οποίο στη συνέχεια αποσυντέθηκε. Αυτή η διαδικασία συνεχίστηκε σε όλα τα ζευγάρια των μορίων, με έναν παρόμοιο τρόπο όπως στην κίνηση των ντόμινο που πέφτουν.

Οι ερευνητές της ΙΒΜ χρησιμοποίησαν αυτήν την αρχή για να κάνουν την πύλη AND. Τοποθέτησαν τρεις σειρές ζευγών μορίων σε μια μορφή Υ, με ένα απλό μόριο στο κεντρικό σημείο, όπου συναντώνται οι σειρές. Δύο σειρές ενέργησαν ως είσοδοι και η τρίτη ενεργεί ως έξοδος. Εάν υπάρχει ένας καταρράκτης και στις δύο σειρές - δηλ. εάν υπάρχει ένα "1" και στις δύο εισόδους - μόρια θα πεταχτούν  κατά μήκος των σειρών για να διαμορφώσουν ένα σιρίτι (την κεφαλή του βέλους) με το απλό μόριο, που είναι ήδη στο σημείο όπου συναντώνται οι τρεις σειρές. Αυτό το σιρίτι έπειτα θα αποσυντεθεί, παράγοντας έναν καταρράκτη (δηλ. ένα σήμα) στην έξοδο. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια παρόμοια ρύθμιση που κάνει την πύλη OR.

Ο Heinrich και οι συνάδελφοι του ήταν έπειτα ικανοί να ενώσουν διάφορος AND και  OR πύλες για να κάνουν μαζί τις πιό περίπλοκες συσκευές λογικής. Η μια τέτοια συσκευή, ένας διαλογέας τριών εισόδων, θα είχε μια περιοχή περίπου 50 τετραγωνικά μικρών, εάν χρησιμοποιηθεί η τρέχουσα τεχνολογία, αλλά μόνο 200 νανόμετρα, όταν  θα φτιαχτεί από τους μοριακούς καταρράκτες.

Δυστυχώς οι μοριακές συσκευές καταρρακτών που έγιναν από τους ερευνητές της ΙΒΜ ήταν πολύ αργές και θα μπορούσαν μόνο να χρησιμοποιηθούν για να εκτελέσουν μια απλή λειτουργία. Για να επαναχρησιμοποιήσουν τις συσκευές αυτές οι ερευνητές έπρεπε να τοποθετήσουν τα μόρια πίσω στην αρχική θέση τους χρησιμοποιώντας ένα από τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης. Για να είναι χρήσιμοι, οι μοριακοί υπολογιστές καταρρακτών θα χρειάζονταν έναν αυτόματο μηχανισμό που θα επαναρρύθμιζε μερικά από τα μόρια και θα άφηνε τα άλλα άθικτα για να ενεργήσουν ως καταχωρητές δεδομένων.