Уникальная молекула может привести к созданию более эффективных компьютеров

Сегодня большинство из нас носят в руках довольно мощный компьютер — смартфон. Но компьютеры не всегда были такими портативными. С 1980-х годов они стали меньше, легче и лучше оснащены для хранения и обработки огромных массивов данных. Однако кремниевые чипы, на которых работают компьютеры, могут стать только такими маленькими.

«За последние 50 лет количество транзисторов, которые мы можем разместить на чипе, удваивалось каждые два года», — сказал Кун Ван из Университета Майами. «Но мы быстро достигаем физических пределов для кремниевой электроники, и становится все сложнее миниатюризировать электронные компоненты, используя то, что мы используем уже полвека».

Это проблема, которую Ван и многие в его области молекулярной электроники надеются решить. В частности, они ищут способ проводить электричество без использования кремния или металла, которые используются для создания компьютерных чипов сегодня. Использование крошечных молекулярных материалов для функциональных компонентов, таких как транзисторы, датчики и межсоединения в электронных чипах, дает несколько преимуществ, особенно по мере того, как традиционные технологии на основе кремния приближаются к своим физическим и эксплуатационным пределам.

Но поиск идеального химического состава для этой молекулы поставил ученых в тупик. Недавно Ван вместе со своими аспирантами Мейрдадом Шири и Шаочэном Шеном, а также соавторами Джейсоном Азулаем из Технологического института Джорджии, и Игнасио Франко из Рочестерского университета, обнаружили многообещающее решение.

Команда поделилась тем, что, по их мнению, является самой электропроводящей органической молекулой в мире. Их открытие, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, открывает новые возможности для создания меньших, более мощных вычислительных устройств в молекулярном масштабе. Еще лучше то, что молекула состоит из химических элементов, встречающихся в природе, — в основном углерода, серы и азота.

«Пока что не существует молекулярного материала, который позволяет электронам проходить через него без существенной потери проводимости», — сказал Ван. «Эта работа является первой демонстрацией того, что органические молекулы могут позволять электронам мигрировать через него без потери энергии на протяжении нескольких десятков нанометров».

Тестирование и валидация уникальной новой молекулы заняли более двух лет.

Однако работа этой команды показывает, что их молекулы стабильны в обычных условиях окружающей среды и обеспечивают максимально возможную электропроводность на непревзойденных длинах. Таким образом, это может проложить путь для того, чтобы классические вычислительные устройства стали меньше, более энергоэффективными, а также экономичными, добавил Ван.

В настоящее время способность молекулы проводить электроны уменьшается экспоненциально с увеличением размера молекулы. Эти недавно разработанные молекулярные «провода» необходимы для передачи, обработки и хранения информации в будущих вычислениях, сказал Ван.

«Уникальность нашей молекулярной системы в том, что электроны движутся по молекуле как пуля без потери энергии, поэтому теоретически это самый эффективный способ переноса электронов в любой материальной системе», — отметил Ван. «Это не только может уменьшить размеры будущих электронных устройств, но и его структура может также обеспечить функции, которые были бы невозможны с материалами на основе кремния».

Ван имеет в виду, что способности молекулы могут создать новые возможности для революции в квантовой информатике, основанной на молекулах.

«Сверхвысокая электропроводность, наблюдаемая в наших молекулах, является результатом интригующего взаимодействия электронных спинов на двух концах молекулы», — добавил он. «В будущем можно будет использовать эту молекулярную систему в качестве кубита, который является фундаментальной единицей для квантовых вычислений».

Команда смогла заметить эти способности, изучая свою новую молекулу под сканирующим туннельным микроскопом (СТМ). Используя технику, называемую STM break-junction, команда смогла захватить одну молекулу и измерить ее проводимость.

«С точки зрения применения эта молекула — большой шаг к реальному применению. Поскольку она химически устойчива и стабильна на воздухе, ее можно даже интегрировать с существующими наноэлектронными компонентами в чипе и использовать в качестве электронного провода или межсоединений между чипами», - сказал Шири. 

Кроме того, материалы, необходимые для создания молекулы, недороги, и ее можно создать в лаборатории.

«Эта молекулярная система функционирует так, как это невозможно с текущими, обычными материалами», — сказал Ван. «Это новые свойства, которые не увеличат стоимость, но могут сделать вычислительные устройства более мощными и энергоэффективными».