przełącznik molekularny 18.03.2023

Międzynarodowy zespół naukowców, w tym z Instytutu Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Tokijskiego, dokonał przełomowego odkrycia. Z powodzeniem zademonstrowali zastosowanie pojedynczej cząsteczki zwanej fulerenem jako przełącznika podobnego do tranzystora. Zespół osiągnął to, stosując precyzyjnie skalibrowany impuls laserowy, który pozwolił im przewidywalnie kontrolować ścieżkę elektronu wejściowego.

Proces przełączania zapewniany przez cząsteczki fulerenu może być znacznie szybszy niż przełączniki stosowane w mikroczipach, ze wzrostem prędkości o trzy do sześciu rzędów wielkości w zależności od zastosowanych impulsów laserowych. Zastosowanie przełączników fulerenowych w sieci może skutkować komputerem o możliwościach wykraczających poza to, co jest dostępne w przypadku tranzystorów elektronicznych. Ponadto mają potencjał, aby zrewolucjonizować urządzenia do obrazowania mikroskopowego, zapewniając niespotykany dotąd poziom rozdzielczości.

Ponad 70 lat temu fizycy odkryli, że cząsteczki emitują elektrony w obecności pól elektrycznych, a następnie światła o określonej długości fali. Emisja elektronów wytwarzała wzory, które budziły ciekawość, ale wymykały się wyjaśnieniom. Ale to się zmieniło dzięki nowej analizie teoretycznej, której rozgałęzienia mogą nie tylko doprowadzić do nowych zastosowań zaawansowanych technologii, ale także poprawić naszą zdolność do badania samego świata fizycznego.

Prosta analogia tego, jak przełącznik fulerenowy działa jak przełącznik pociągu. Impuls świetlny może zmienić ścieżkę, którą podąża elektron wejściowy, reprezentowany tutaj przez obwód.

Badacz projektu Hirofumi Yanagisawa i jego zespół teoretyzowali, jak powinna zachowywać się emisja elektronów ze wzbudzonych cząsteczek fulerenów po wystawieniu na działanie określonego rodzaju światła laserowego, a po przetestowaniu swoich przewidywań okazało się, że były one prawidłowe.

W zależności od pędu światła elektron może albo pozostać na swoim domyślnym kursie, albo zostać przekierowany w przewidywalny sposób. To trochę jak przełączanie punktów na torze kolejowym lub elektronicznym tranzystorze, tylko znacznie szybciej. Naukowcy uważają, że możemy osiągnąć prędkość przełączania milion razy większą niż w przypadku klasycznego tranzystora. A to może prowadzić do rzeczywistej wydajności w komputerach. Ale co równie ważne, jeśli uda nam się dostroić laser tak, aby cząsteczka fulerenu przełączała się na wiele sposobów w tym samym czasie, mogłoby to przypominać posiadanie wielu mikroskopijnych tranzystorów w jednej cząsteczce.

Cząsteczka fulerenu w sercu przełącznika jest spokrewniona z być może nieco lepiej znaną nanorurką węglową, chociaż zamiast rurki, fuleren jest kulą atomów węgla. Po umieszczeniu na metalowej kropce – zasadniczo na końcu szpilki do włosów – fulereny ustawiają się w określony sposób, aby poprowadzić elektrony w przewidywalny sposób. Szybkie impulsy laserowe w skali femtosekund, biliardowych części sekundy, a nawet attosekund, kwintylionowych części sekundy, skupiają się na cząsteczkach fulerenów, powodując emisję elektronów. Po raz pierwszy światło laserowe zostało użyte do kontrolowania w ten sposób emisji elektronów z cząsteczki.

Zasadniczo, ponieważ kilka ultraszybkich przełączników elektronicznych można połączyć w jedną cząsteczkę, do wykonywania zadań obliczeniowych znacznie szybciej niż konwencjonalne układy scalone potrzebna byłaby tylko niewielka sieć przełączników fulerenowych. Jest jednak kilka przeszkód do pokonania, takich jak miniaturyzacja komponentu laserowego, który będzie potrzebny do stworzenia tego nowego rodzaju układu scalonego. Może więc minąć wiele lat, zanim zobaczymy smartfon oparty na przełączniku fullerenowym.