Genopfinde transistoren

Hver fredag ​​eftermiddag på Hewlett-Packard Labs i Palo Alto, Californien, samler R. Stanley Williams, en af ​​de mest respekterede tænkere inden for molekylær elektronik, sin gruppe på 25 forskere for at snakke shop. En efter en går de til mødelokalet. Williams går ind præcist til tiden, sætter sig foran og læner sig rynkende tilbage med hænderne stejlt. Han blev ansat af HP i 1995 til at gentænke det grundlæggende inden for computing og har håndplukket holdet inde i dette rum til at gøre netop det. Williams kan lide at gå i jeans, og hans hår når halvvejs ned ad ryggen, så han giver et første, flygtigt indtryk af stilhed og uformel. Men han smiler tilsyneladende aldrig, og hans folk arbejder 19-timers dage for at overholde hans deadlines. Williams venter et par minutter på de sædvanlige efternølere og rejser sig derefter. Han taler i en effektiv monotone.

Vi skal først høre fra Gun-Young i dag, siger han. Det han har præsteret er storslået. Alle her skylder ham en frokost, fordi hans hårde arbejde har betalt for vores løn i de sidste mange måneder.

Denne historie var en del af vores september-udgave fra 2003

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Gun-Young Jung, en nylig postdoc fra Sydkorea, rejser sig og beskriver stille sit arbejde med nano-imprintlitografi, en proces, der bruger en fysisk form til at skabe funktioner så små som seks nanometer på tværs af siliciumwafers. Det er mere end en størrelsesorden mindre end de fineste funktioner, der kan opnås ved hjælp af nutidens avancerede foto-litografiske processer. Nogle gange hænger tingene dog fast i formen. Det er ligesom kagedej, der klistrer til en pande, siger han. Hans præsentation varer cirka ti minutter og efterfølges af to andre.

At lytte til disse højttalere, den ene efter den anden, formidler gradvist en følelse af gruppens stil. De nyder selvironisk humor og injicerer hyppige udtryk for forvirring i deres videnskabelige forklaringer, som jeg ikke ved, og det er stadig et mysterium, og jeg mangler stadig at undersøge det, og selv er jeg stadig en novice. Og på trods af deres åbenlyse ekspertise, er dette ikke falsk beskedenhed.

Williams' gruppe står over for en monumental opgave: at forsøge at lave computere, hvis funktionalitet hviler på molekylernes funktion. At gøre det vil betyde at genopfinde transistoren. Mens silicium og andre uorganiske halvledere altid har været de grundlæggende byggesten i mikrochips, viser det sig, at organiske molekyler også kan have nogle potentielt nyttige elektriske egenskaber. Faktisk har forskere i løbet af de sidste par år lært at syntetisere molekyler, der kan fungere som elektroniske switche, holde binære 1'ere eller 0'ere i hukommelsen eller deltage i logiske operationer. Og molekyler har en væsentlig fordel: de er virkelig små.

Sådant arbejde er afgørende for fremtidens computere, fordi konventionel chipfremstillingsteknologi er på kollisionskurs med økonomi. Nutidens bedste computerchips har siliciumegenskaber så små som 90 nanometer. Men jo mindre funktionerne er, jo dyrere er det optiske udstyr, der skal til for at fremstille dem. Et avanceret fabrikationsanlæg til siliciummikrochips koster nu omkring 3 milliarder dollars at bygge. En chip, hvor siliciumtransistorer udskiftes med molekylære enheder, kunne derimod i princippet fremstilles gennem en simpel kemisk proces lige så billig som at lave fotografisk film. Et kredsløb med 10 milliarder afbrydere kunne i sidste ende passe på et gran salt; det er tusind gange tætheden af ​​transistorerne i nutidens bedste computere. En computer bygget af sådanne kredsløb kunne søge milliarder af dokumenter eller tusindvis af timers video på sekunder, udføre meget nøjagtige simuleringer og forudsigelser af vejr og andre fysiske fænomener og gøre et meget bedre stykke arbejde med at efterligne menneskelig intelligens, måske endda kommunikere med os gennem naturlig samtale.

Men uanset hvor fristende det er i teorien, er det spekulativ forskning i blå himmel, og investering i molekylær elektronik er en satsning, som få virksomheder har været villige til at gøre. HPs tillid til Williams er en stor grund til, at det er en af ​​undtagelserne, siger Shane Robison, virksomhedens executive vice president og chief strategy and technology officer. Ud over hans evne til at sammensætte et førsteklasses team af tværfaglige eksperter og en vægt på, hvordan man omdanner videnskab og teknologi til rigtige produkter, er Stans bedste kvalitet nok hans evige optimisme, siger Robison. Selvfølgelig er der også lokket til enorme overskud, hvis Williams teknologi nogensinde skulle fortrænge konventionelle siliciumchips. Så ambitiøse projekter er altid et langt skud, men vi ville ikke gøre det, hvis vi ikke troede, der var en god chance for at lykkes, siger Robison.

Ganske vist har virksomheden afdækket sin indsats ved at være forsigtig med finansiering. Williams' gruppe har et fireårigt tilskud på 12,5 millioner dollars fra U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), og HP yder tilsvarende midler, men omkring halvdelen af ​​DARPA-midlerne går til universitetsforskningspartnere. Tegn på økonomi er overalt i laboratoriet, fra mangel på forsyninger i kaffestuen til juryrigtet udstyr. Ikke desto mindre har gruppen gjort det ene gennembrud efter det andet - især ved at bevise, at et tværstangsdesign, der engang var almindeligt i konventionel elektronik, kan genopstå på molekylær skala. I en demonstration sidste år fangede gruppen molekyler i forbindelsespunkterne mellem titanium og platin nanotråde arrangeret i et otte gange otte, en-mikrometer kvadratisk gitter, og viste, at molekylerne kan tændes og slukkes ved specifikke junctions-a første trin i opbygningen af ​​en arbejdshukommelse eller logisk enhed.

Arbejder blind

Brug lidt tid i Williams laboratorium, og du begynder at forstå, hvorfor meget om molekylær elektronik stadig er et mysterium, begyndende med det relativt enkle spørgsmål om, hvad forskerne præcist bygger. Yong Chen, der er indfødt i Kina og medlem af Williams' gruppe siden 1998, bruger meget af sin tid på at sidde i et indelukket, vinduesløst, ni kvadratmeter stort rum polstret med tykt skum. Det er hjemstedet for et delikat elektronmikroskop, som bruger elektronstråler til at skabe et groft billede af de strukturer, Chen skaber i laboratoriet nede i gangen.

Chen er lederen af ​​det team, der har givet gruppen den største offentlige succes til dato, 64-bit tværstangshukommelsen. Hans team indprentede først otte parallelle nanotråde lavet af titanium og platin på et siliciumsubstrat og dækkede disse ledninger med et et-molekyle-tykt lag af et syntetisk kemikalie kaldet rotaxan. De afsatte derefter et andet sæt titantråde vinkelret på det første, hvilket skabte muligheden for en elektrisk forbindelse mellem ledningerne ved ethvert kryds i nettet.

Hvert molekyle af rotaxan - som blev opfundet af kemiker Fraser Stoddart ved University of California, Los Angeles - består af en lang aksel med to klumper af atomer i hver ende og en ring af atomer, der kredser om akslen. Stoddart og Williams' grupper teoretiserer, at når en spænding påføres gennem et specifikt, krydsende par nanotråde, hopper ringene på rotaxanmolekylerne mellem ledningerne fra den ene ende af akslen til den anden og bliver der, indtil en anden spænding påføres. Dette kunne hæve eller sænke molekylernes modstand mod elektrisk strøm, og disse to konduktivitetstilstande ville repræsentere digitale 1'ere eller 0'ere. Nu forsøger Chen, der er ivrig efter at se, hvor lille han kan lave sådan en enhed, at printe de enkelte ledninger endnu tættere sammen. Det er en møjsommelig veer, hvor du aldrig ved, om du gør fremskridt, før det øjeblik, det virker.

I dag er Chen åbenmundet, henført og fokuserer absolut opmærksomhed på skærmen foran ham, mens han også forsøger at føre en samtale. Han har ikke helt succes. Der går stille flere minutter, mens et spørgsmål hænger i luften, ubesvaret. Han øger mikroskopets forstørrelse, mens han søger gennem en række uklare, grå-på-grå billeder, der ligner satellitbilleder af en ørken.

Efter vi er færdige med fremstillingsprocessen, kommer vi herind for at tjekke, hvad det er for en ting, vi har, siger han. Jeg vil gerne se, om ledningen er jordet til underlaget eller suspenderet over det. Der er en. Ups, jeg mistede det.

Til sidst finder han noget, der ligner en længde af armeringsjern på en bunke trækulstøv, men som faktisk er en wire, 35 nanometer i bredden, hviler på siliciumbasen. Han tager et billede, stille igen, holder vejret, da lydbølger vil påvirke billedets kvalitet.

Vi kan snakke sammen nu, siger han. Her kan du faktisk se, at denne ledning er knækket. Det var ærgerligt. Dette er et rutineeksperiment, ærligt talt. Chens mål er at finde en kombination af materialer - en opskrift, hvis du vil - der vil give en Teflon-lignende ikke-klæbrighed til formen, der afsætter ledningerne på underlaget; ellers buler de og vrider sig, når formen fjernes. Men når man sidder i dette afdæmpede, skumbeklædte rum og ser en af ​​de førende videnskabsmænd på området søge gennem kornede billeder, indser man, hvor svært det er at arbejde på denne skala. Tre uger senere, efter fem måneders omhyggelige eksperimenter og observationer, finder Chen og Gun-Young Jung det resultat, de ledte efter, hvilket bringer muligheden for kredsløb i molekylstørrelse et lille skridt nærmere.

Jeg har fejlregnet flere ting, siger Chen enkelt.

Nu kan han gå videre til næste problem.

Skift plads

At observere resultater er selvfølgelig det sidste trin i en række af begivenheder, der traditionelt begynder med en teori om, hvordan tingene skal opføre sig. I tilfældet med molekylær elektronik er der dog meget lidt, der har kørt lige fra teori til eksperiment til resultat. Teorier kan sygne hen i årevis og vente på værktøjer, der er præcise nok til at teste dem. Faktisk foreslog kemikere først ideen om molekylær elektronik i midten af ​​1970'erne, men der ville gå yderligere 20 år, før nogen kunne begynde at omsætte det i praksis. På det seneste er eksperimentelle resultater dog begyndt at springe over teoretikeres evne til at forklare dem.

Et puslespil er manglen på konsistens i måling af eksperimentelle resultater, fra laboratorium til laboratorium og endda fra eksperiment til eksperiment. Alex Bratkovsky, en teoretisk fysiker og hjemmehørende i Moskva, som sluttede sig til HP i 1996, siger, at han var en af ​​de første til at indse, at et molekyles orientering mellem metalelektroder er afgørende for at forstå dets koblingsegenskaber. Strømmen afhænger i høj grad af, hvordan molekylet forbindes med substratet, siger Bratkovsky. Signalet kan forsvinde og derefter vende tilbage, afhængigt af molekylets position. Vi ignorerede det faktum i et stykke tid. Da kontrol af orienteringen af ​​molekylet stadig er ud over de nuværende eksperimentelle værktøjer, varierer resultaterne meget fra laboratorium til laboratorium, og videnskabsmænd skal i mange tilfælde bedømme, om forskelle mellem deres resultater har reel betydning eller kan forklares af effekter, der stadig er uden for eksperimentel kontrol.

For at forstå omskiftningsfænomenet studerer HP-forskerne en række nye molekyler, der kan kontrolleres lettere end rotaxan, siger Bratkovsky. Nogle af disse er allerede ved at blive designet, men fremskridtene går langsomt. Det kan tage mere end to år at designe, simulere, syntetisere og endelig teste et molekyle for dets elektroniske egenskaber - hvorefter forskere kan finde på at begynde forfra.

På den anden side af gangen fra Bratkovsky brugte Duncan Stewart, en eksperimentel fysiker, for nylig ansat af Williams' laboratorium, mere end seks måneder på et kontrarisk eksperiment for at hjælpe med at undersøge, hvorfor nogle molekyler kan fungere som molekylære omskiftere, der ændrer deres ledningsevne som reaktion på en påført spænding. I stedet for designermolekyler som rotaxan brugte Stewart et simpelt carbonhydridmolekyle bestående af en kæde af 18 carbonatomer omgivet af brintatomer. Stewart kalder det Plain Jane i den molekylære verden. Det er stabilt, inert og burde teoretisk set ikke have nogen interessante elektroniske egenskaber. Men det skiftede alligevel.

Jeg har masser af data, og historien er, at dataene ikke passer til nogen model eller nogen eksisterende teori. Så selv i det simpleste tilfælde forstår vi ikke, hvordan elektroner rejser gennem et molekyle, siger han. Til tider er det ekstremt frustrerende. Du skal være meget svinehoved, slå hovedet mod en mur i seks måneder, og til sidst rager en enkelt mursten, og til sidst smuldrer hele muren, og du ser en anden mur.

Støvet i maskinen

Hvis de materialer, der er studeret af disse forskere, virker forvirrende og uforudsigelige, er det maskineri, de bruger, endnu mere. Fremskridt inden for molekylær elektronik er ofte prisgivet uforudsigelige fejl i det eksperimentelle udstyr. Dette er trods alt laboratorievidenskab og ikke ingeniørvidenskab.

Tan Ha, der er indfødt i Vietnam, er ansvarlig for det udstyr, der bruges i laboratoriets rene rum. To eller tre gange om dagen tager han et rent-rumsdragt på og går ind i lokalet for at teste, justere og modificere udstyr til, hvad der i mange tilfælde er de første af sin slags eksperimenter. Vi klæder os på. Nu er vi klar til kemisk krigsførelse, siger han. Masken over hans ansigt gør det svært at vurdere, om han laver sjov.

Når vi først er inde, laver vi en beeline for en maskine kaldet en kemisk dampaflejringsreaktor. Det ligner en stor stålcylinder på siden, indkapslet i glas. Jeg har et særligt forhold til den her maskine, siger han og rører ved glasset med en behandsket hånd.

Denne type reaktor er standardpris i halvlederfabrikationsfaciliteter, men Ha har modificeret maskinen til at udføre de ultrapræcise eksperimenter, der kræves af Ted Kamins, medlem af Williams' gruppe siden 1995. Kamins har arbejdet i årevis på den ultimative drøm om nanoforskning: at lave enheder vokser i ønskede strukturer i stedet for at bygge dem stykke for stykke. Hans mål er at dyrke de nanotråde, der kræves af molekylær elektronik, som et alternativ til at bruge nano-imprintlitografi. Indtil videre har Kamins syntetiseret ledninger så små som 10 nanometer i diameter ved at udsætte nanopartikler af forskellige materialer for en blanding af gasser i aflejringsreaktoren. I den efterfølgende reaktion vokser lange kæder af silicium op omkring partiklerne og producerer, hvad der under elektronmikroskopet ser ud som en nåleskov.

At dyrke de ledninger, der kræves til molekylær elektronik, er spændende ting, men Kamins særlige eksperimenter skete næsten ikke. Ha fortæller mig, at han brugte over et år af sit liv på at prøve at få maskinen til at virke. Hver gang vi kørte et eksperiment, ville forurening ødelægge processen, siger han. Det var ikke, at maskinen var i stykker; det er bare, at ingen nogensinde havde behøvet at lave de eksperimenter, som Kamins ville lave. Det skulle være en spirituel dagsorden for mig, siger Ha. Ted var frustreret. Det var jeg også. Jeg ville være her på mine knæ hele dagen lang og ændre tingene skrue for skrue. Jeg gik i seng om natten og lukkede øjnene og så VVS-diagrammet på mine øjenlåg. Det viste sig at være et problem i udstødningssystemet. Jeg gik hjem og sagde til min kone: Det var det; Jeg er en dokumenteret udstyrsingeniør.’ Så glad var jeg.

Udvælgelse af en vinder

Meget til Duncan Stewarts skuffelse bad Williams ham om at offentliggøre sine resultater med kulbrintemolekylet efter seks måneder og koncentrere sig om andet arbejde. Alligevel opfordrede Williams Ha til at blive ved med at arbejde på knæ og drømme om VVS-diagrammer i et år, for eksperimenter, som Williams vurderer, er mindst seks år fra udførelse og måske aldrig vil give et praktisk resultat. I et hav af konkurrerende teorier og muligheder, og med det budgetpres, han klager over med en vis regelmæssighed, hvordan beslutter han sig?

Det er et spørgsmål om erfaring, siger Williams. Jeg har været ned ad mange blinde gyder mange gange i min karriere. De er så lokkende. Du kan komme ind i disse ting og tænke, okay, bare et skridt mere, bare et skridt mere. Andre ting føles som om, de er i den rigtige retning, og jeg kan se, hvor vi er på vej hen. Han har med andre ord lært at stole på sin intuition, for det er alt, hvad han har. Jeg har været igennem cyklussen mange gange.

Williams længste forpligtelse til enhver idé inden for molekylær elektronik er til tværstangsarkitekturen. Men han indrømmer, at selv denne idé kan være en blind vej. Vil det nogensinde være muligt, for eksempel, rent at fange molekyler ved krydset mellem to ledninger med fuld tillid til deres orientering? Så er der det praktiske problem med forstærkning eller at vende et svagt elektrisk input til et stærkt output; dette er en kritisk evne, der er nødvendig både for at udføre logiske operationer og for at forstærke de små strømme, der krydser de molekylære switches, så konventionelle siliciumsystemer kan detektere dem. Og det er et problem uden nogen demonstreret løsning.

Stan er en klog fyr, Gud velsigne ham, og hvis nogen kan løse disse ting, vil det være hans team, siger James Tour, en kemiker fra Rice University, der arbejder på en konkurrerende tilgang til molekylær databehandling. Men han har et svært problem. Ved hvert krydspunkt skal molekylerne være stabile. Så skal de have forbindelse til alle de ledninger, der kommer ud. Det er der enorme omkostninger ved. De har en stejl bakke at forcere.

Det er bestemt muligt, at vi tager fejl, indrømmer Williams. Så ryster han på hovedet og holder op med at være ydmyg et kort øjeblik.

Det tror jeg ikke, siger han. Jeg tror, ​​vi har valgt vinderen, noget, der vil tillade denne ting, vi kalder Moores lov, at fortsætte med i yderligere 50 år. Jeg plejede at tro, det var umuligt. Nu tror jeg, det er uundgåeligt.

Alternativer til silicium
Teknologi	computerelementer	Førende institutioner
DNA-beregning	DNA- og RNA-strenge i opløsning	University of Southern Californien, Weizmann Institut for Videnskab
Molekylær elektronisk udstyr	Molekyler såsom rotaxan	University Hewlett-Packard, Yale
Nanoceller	Guld nanopartikler deponeret i tilfældige arrays	Rice Universitet
Nanorør elektroniske komponenter	Carbon nanorør, der fungerer som transistorer, hukommelse og ledninger	IBM, Harvard University, NASA Ames Research Center
Kvanteberegning	Kvanteegenskaber af elektroner og molekyler	MIT, IBM, Hewlett-Packard, National Institut for Standarder og teknologi

skjule