Spínač vyrobený z jediné molekuly

Datum 11.03.2023

Foto: Yanagisawa a kol.

Vědci předvedli spínač, obdobu tranzistoru, vyrobený z jediné molekuly zvané fulleren. Pomocí pečlivě vyladěného laserového pulzu jsou vědci schopni fulleren předvídatelným způsobem použít k přepnutí dráhy přicházejícího elektronu. Tento proces přepínání může být v závislosti na použitých laserových pulzech o tři až šest řádů rychlejší než přepínače v mikročipech. Fullerenové přepínače v síti by mohly vytvořit počítač, který by překonal možnosti současných tranzistorů, a mohly by také vést k nebývalé úrovni rozlišení v mikroskopických zobrazovacích zařízeních. Zasloužil se o to mezinárodní tým vědců, včetně vědců z Ústavu fyziky pevných látek Tokijské univerzity.

“To, co se nám zde podařilo, je ovládat způsob, jakým molekula nasměruje dráhu přicházejícího elektronu pomocí velmi krátkého pulzu červeného laserového světla,” řekl Yanagisawa. “V závislosti na světelném pulzu může elektron buď zůstat na své výchozí dráze, nebo být přesměrován předvídatelným způsobem. Je to tedy něco jako spínací body na vlakové trati nebo elektronický tranzistor, jen mnohem rychlejší. Myslíme si, že můžeme dosáhnout rychlosti přepínání milionkrát vyšší než u klasického tranzistoru. A to by se mohlo promítnout do reálného výkonu ve výpočetní technice. Stejně důležité však je, že pokud se nám podaří naladit laser tak, abychom molekulu fullerenu přiměli přepínat více způsoby současně, mohlo by to být jako mít několik mikroskopických tranzistorů v jediné molekule. To by mohlo zvýšit složitost systému, aniž by se zvětšila jeho fyzická velikost.”

Molekula fullerenu, která je základem přepínače, je příbuzná možná trochu známější uhlíkové nanotrubičce, i když místo trubičky je fulleren koulí atomů uhlíku. Když se fullereny umístí na kovový hrot – v podstatě na konec špendlíku -, orientují se určitým způsobem, takže předvídatelně usměrňují elektrony. Rychlé laserové pulzy v rozsahu femtosekund, tj. kvadriliontin sekundy, nebo dokonce attosekund, kvintiliontin sekundy, jsou zaměřeny na molekuly fullerenu, aby vyvolaly emisi elektronů. Je to poprvé, kdy bylo laserové světlo použito k řízení emise elektronů z molekuly tímto způsobem.

“Tato technika je podobná způsobu, jakým fotoelektronový emisní mikroskop vytváří snímky,” řekl Yanagisawa. “Ty však mohou dosáhnout rozlišení nanejvýš kolem 10 nanometrů, tedy deseti miliardtin metru. Náš fullerenový přepínač to vylepšuje a umožňuje dosáhnout rozlišení kolem 300 pikometrů, tedy tří set biliontin metru.”

Vzhledem k tomu, že v principu lze spojit několik ultrarychlých elektronových spínačů do jediné molekuly, stačila by malá síť fullerenových spínačů k provádění výpočetních úloh potenciálně mnohem rychlejších než běžné mikročipy. Je však třeba překonat několik překážek, například jak miniaturizovat laserovou součástku, která by byla nezbytná pro vytvoření tohoto nového druhu integrovaného obvodu. Ještě mnoho let asi bude trvat, než se dočkáme počítače nebo chytrého telefonu založeného na fullerenových spínačích.