Перемикач, зроблений з молекули у 1000000 разів швидше транзистора

Міжнародна група дослідників, у тому числі з Інституту фізики твердого тіла Токійського університету, зробила новаторське відкриття. Вони успішно продемонстрували використання однієї молекули під назвою фулерен як перемикач, подібний до транзистора. Команда досягла цього, застосувавши точно відкалібрований лазерний імпульс, який дозволив їм передбачувано контролювати шлях вхідного електрона.

Процес перемикання, що забезпечується молекулами фулерену, може бути значно швидшим, ніж перемикачі, що використовуються в мікрочипах, зі збільшенням швидкості на три-шість порядків залежно від використовуваних лазерних імпульсів. Використання фулеренових перемикачів у мережі може призвести до створення комп’ютера з можливостями, які перевищують можливості, які зараз доступні за допомогою електронних транзисторів. Крім того, вони мають потенціал революціонізувати пристрої для мікроскопічних зображень, забезпечуючи безпрецедентний рівень роздільної здатності.

Понад 70 років тому фізики виявили, що молекули випромінюють електрони в присутності електричних полів, а згодом і певних довжин хвиль світла. Випромінювання електронів створювало візерунки, які викликали цікавість, але уникали пояснення. Але це змінилося завдяки новому теоретичному аналізу, розгалуження якого може не тільки призвести до нових високотехнологічних застосувань, але й покращити нашу здатність ретельно досліджувати сам фізичний світ.

Проста аналогія того, як фулереновий перемикач працює як перемикач потягів. Світловий імпульс може змінити шлях, яким проходить вхідний електрон, який тут представлено ланцюгом

Дослідник проєкту Хірофумі Янагісава та його команда висунули теорію про те, як має поводитися випромінювання електронів зі збуджених молекул фулерену під дією певних типів лазерного світла, і перевіривши свої прогнози, виявили, що вони правильні.

«Те, що нам вдалося зробити тут, це контролювати те, як молекула спрямовує шлях вхідного електрона за допомогою дуже короткого імпульсу червоного лазерного світла», — сказав Янагісава. «Залежно від імпульсу світла, електрон може або залишатися на своєму курсі за замовчуванням, або бути перенаправленим у передбачуваний спосіб. Отже, це трохи схоже на точки перемикання на залізничній колії або електронний транзистор, тільки набагато швидше. Ми вважаємо, що ми можемо досягти швидкості перемикання в 1 мільйон разів швидше, ніж класичний транзистор. І це може призвести до реальної продуктивності в обчисленнях. Але не менш важливим є те, що якщо ми зможемо налаштувати лазер, щоб спонукати молекулу фулерену перемикатися кількома способами одночасно, це може бути схоже на наявність кількох мікроскопічних транзисторів в одній молекулі. Це може збільшити складність системи без збільшення її фізичного розміру».

Молекула фулерену, що лежить в основі перемикача, пов’язана з, можливо, трохи більш відомою вуглецевою нанотрубкою, хоча замість трубки фулерен є сферою атомів вуглецю. При розміщенні на металевій точці — по суті, на кінці шпильки — фулерени орієнтуються певним чином, щоб передбачувано спрямовувати електрони. Швидкі лазерні імпульси в масштабі фемтосекунд, квадрильйонних часток секунди або навіть аттосекунд, квінтильйонних часток секунди, фокусуються на молекулах фулеренів, щоб викликати випромінювання електронів. Це перший раз, коли лазерне світло було використано для контролю випромінювання електронів із молекули таким чином.

«Ця техніка схожа на те, як фотоелектронно-емісійний мікроскоп створює зображення», — сказав Янагісава. «Однак вони можуть досягати роздільної здатності в найкращому випадку близько 10 нанометрів, або десятимільярдних часток метра. Наш фулереновий перемикач покращує це та забезпечує роздільну здатність близько 300 пікометрів, або триста трильйонних часток метра».

В принципі, оскільки кілька надшвидких електронних перемикачів можна об’єднати в одну молекулу, знадобиться лише невелика мережа фулеренових перемикачів, щоб виконувати обчислювальні завдання потенційно набагато швидше, ніж звичайні мікросхеми. Але є кілька перешкод, які потрібно подолати, наприклад, як мініатюризувати лазерний компонент, який буде необхідним для створення цього нового виду інтегральної схеми. Отже, може пройти багато років, перш ніж ми побачимо смартфон на основі фулеренового комутатора.