Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

ли их еще уменьшить, то можно достичь частоты в 1 гигагерц. Этот частотный предел использует современная электроника.

Расскажем, как происходит формирование серебряного мостика. Весь секрет состоит в составе нанопроводников шин. Один проводник состоит из сульфида серебра, покрытого тон ким слоем чистого серебра. Второй – из платины, тоже покры той чистым серебром. При возникновении между шинами по ложительной разности потенциалов атомы серебра “собирают ся” в мостик длиной 1 нанометр, а при изменении знака нап ряжения мостик разрушается и атомы возвращаются в прежнее состояние.

Преимущество нового ключа состоит в том, что благодаря конструкции устройства емкость памяти на его основе будет больше той, которая существует сейчас. Если же использовать каждый ключ в качестве элемента памяти, то емкость одного слоя составит 2.5 гигабит на квадратный сантиметр, в то время как самые “сверхплотные” чипы памяти характеризуются ем костью в 1 гигабит на квадратный сантиметр.

То, что новое устройство работает по законам квантовой физики, позволяет создавать на его основе многобитную па мять. Как известно, в квантовой физике различные энергети ческие состояния квантуются, принимая определенные диск ретные состояния. Поэтому один (!) ключ может представлять 16 состояний, или 4 бита, так утверждает Хасегава.

Исследователи смогли сконструировать логические ячейки И, ИЛИ и ИЛИ НЕ на основе нового ключа. Все логические устройства показали хорошие рабочие характеристики. Теперь ученые разрабатывают методы серийного производства матри цы квантовых ключей.

Компания HP объявила стратегию наноэлектроники, осно ванную на подобных молекулярных ключах. Эта стратегия при ведет к массовому производству многослойной наноэлектро ники. Руководство компании объявило, что хочет сделать про изводство нанокомпьютеров главным направлением бизнеса компании.

Наиболее революционные достижения наноэлектроники приближаются к квантовым пределам, установленным самой природой. Основу таких устройств составляет, например, рабо та одного электрона, имеющего два дискретных спиновых сос

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

тояния. Но этой основе можно было бы построить квантовый компьютер, ведь для оперирования в двоичной системе исчис ления достаточно реализовать элементы, способные иметь два устойчивых, стабильных во времени состояния, условно соот ветствующих логическим “0” и “1”, и допускать достаточно быстрые переключения между ними. Такие функции может вы полнять электрон в двухуровневой системе (например, в двуха томной молекуле – переход с одного атома на другой). Другая возможность – переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое с помощью, например, воздей ствия на него электромагнитного поля (этими исследованиями занимается научное направление спинтроника).

Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов.

В наше время спинтроника изучает магнитные и магнито оптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах на нометрового размера.

Рис 125. Возможные направления ориентация спинов

Вобычной твердотельной микроэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда. Состояние магнитного момента при этом не задано — собственные момен ты частиц ориентированы хаотично (рис. 135а).

Спинтроника же использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц (рис. 135б). Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), в конце 1990 х было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в сто раз!

Вбудущем развитие спинтроники сулит производство компьютеров с быстродействием порядка 1 ТГц (1012 операций в секунду), плотность записи информации порядка 103 Тбит/см2 , что на много порядков выше, чем сегодня. При такой плотнос

214

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

ти записи на диске размером с наручные часы можно было бы разместить базу данных, включающую фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех жи телей Земли!

Третье перспективное направление развития нанотехники, отмеченное еще Эриком Дрекслером, – переход, как это ни ка жется парадоксальным, от электронных устройств к механичес ким компьютерам.

Обычный механический компьютер с элементами макрос копического масштаба, разумеется, очень громоздок и работает чрезвычайно медленно. Однако с компонентами размером в несколько атомов такой механический компьютер оказался бы в миллиарды раз компактней современной микроэлектроники. И хотя механические сигналы передаются в 100 тыс. раз мед леннее, им нужно было бы “преодолевать” путь в 1 млн. раз меньший, чем электронам в современных микросхемах. Поэто му простой механический нанокомпьютер был бы более быст родействующим.

Прототип такого устройства уже существует. Компанией IBM создана удивительная “многоножка”, которая стала пер вым квантовым коммерческим устройством хранения данных.

Устройство состоит из записывающей матрицы манипуля торов и среды хранения информации. Конструктор устройства, Марк Ланц рассказывает, что устройство состоит из матрицы, включающей в себя 4096 “ножек”, выполненных как устройства чтения/записи (подобные “ножки” кантилеверы используются сейчас в электронных и атомно силовывх микроскопах).

“Многоножка” не простой жесткий диск, где головки не прикасаются к магнитной пове рхности, она представляет собой “чистую” цифровую технологию.

Принцип ее работы можно срав нить с работой старых проигры вателей граммпластинок, в кото рых считывающая вибрирующая игла скользила по борозде, несу щей информацию, только у “мно

гоножки” есть ряд кантилеверов, которые скользят по поверх

* Перепечатано с http://domino.research.ibm.com

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ности хранения данных, на которой есть углубления, кодирую щие „1” и „0”.

Таким образом, отклоне ния кантилеверов от равновес ного положения переводятся в набор „0” и „1”.

Ведутся исследования и в области биоэлектроники. В от личие от обычных, биологи ческие компьютеры могут вы полнять одновременно не одну, а много программ. Израильс кие ученые создали компьютер,

состоящий из одних только ДНК и энзимов, способный парал лельно выпол нять 1 млрд. программ без вмешательства опера тора для обработки результатов. Применять такой компьютер планируют для одновременного биохимического анализа мно жества веществ и для шифрования больших изображений.

Проекты наномоторов

Дальнейшее развитие нанотехнологий и НЭМС невозмож но без эффективных наноразмерных двигателей. Сегодня раз работано и продолжает разрабатываться огромное количество различных проектов нанодвигателей, которые также называют наноактюаторами. Рассмотрим некоторые из них.

Вращательный наноактюатор на основе АТФазы

АТФаза – это природный фермент, который можно найти практически в лю бом организме. Ферменты служат для расщепления белков, жиров, углеродов. АТФаза состоит из двух отдельных частей:

лиз АТФ. В процессе синтеза/гидролиза субъединицы при гидролизе АТФ АТФ происходит вращение центральной субъединицы. Хотя еще не до конца известна природа этого вращения, но по сути это готовый биологический наномотор!

* Перепечатано с http://domino.research.ibm.com

216

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Электростатические наноактюаторы

Исследователи из США создали модель вращательного наноактюатора, исполь зую щего лазер как источник энергии.

Наномотор состоит из двух концентри ческих графитовых цилиндров (наподобие двух нанотрубок, одна из которых расположе на внутри другой): ротора и статора. При этом

к ротору диаметрально противоположно при Рис 129. Наномотор, соединены два электрических заряда. Движе приводимый в движение

светом

ние произво дится благодаря переменному из лучению двух лазеров.

Наноактюатор на основе молекулы ДНК

Этот актюатор изготовлен из молекулы ДНК, к одному концу которой прикреплена светоизлучающая органическая молекула, а к другому – светопоглощающая. Когда цепь ДНК выпрямляется, излучающая и поглощающая молекулы разделя ются и система излучает свет, и наоборот. Исследователи пыта ются использовать в качестве нанодвигателей молекулы актина и кинезина – основные двигательные молекулы живых орга низмов. Следующая стадия – модель саркомера (единицы мы шечной структуры).

Проект диэлектрофорезного наномотора

Здесь используется притягивание или отталкивание частиц от электродов в сильном неоднородном электростатическом поле. В Калифорнийском университете были проведены экспе рименты по перемещению нанотрубок и молекул ДНК посред ством диэлектрофореза в водных растворах. Электроды были сделаны из нанотрубок. Промежуток между электродами сос тавлял 10 нм, подаваемое напряжение – 1 В. На концах элект родов образовалось сильное неоднородное электростатическое поле, притягивающее частицы. Нанотрубки электроды образу ют статор, наночастицы в центре – ротор. Если подавать на электроды переменное напряжение, наночастица будет вра щаться, причем ее положение напрямую зависит от величины напряжения, подводимого к электродам.