Ученые сделали серьезный шаг к созданию молекулярного компьютера

Международная команда ученых после 10 лет подготовки впервые измерила теплоперенос одной молекулой. Такой процесс открывает путь к созданию логических цепей, способных продлить действие закона Мура и положит начало новому поколению компьютеров.

Закон Мура начался как наблюдение: число транзисторов в интегральной схеме удваивается каждый два года, вдвое увеличивая вычислительную мощность. Однако в конечном итоге развитие микроэлектроники подошло к порогу, за которым уменьшать размеры транзисторов уже невозможно. Молекулярные компьютеры могли бы преодолеть этот порог, но их реализации многое мешает — в том числе, теплоперенос.

«Тепло — это проблема в молекулярных вычислениях, потому что два электронных компонента — это, по сути, цепочки атомов, соединяющие два электрода. Когда молекула нагревается, атомы очень быстро вибрируют, и цепь может порваться», — объяснил Эдгар Мейхофер, профессор Университета штата Мичиган.

До сих пор теплоперенос вдоль этих молекул нельзя было измерить, не говоря уже о том, чтобы контролировать. Но группа ученых из США, Японии, Германии и Южной Кореи провели первый эксперимент, в котором наблюдали скорость движения тепла через молекулярную цепь.

Ученые готовились к такому эксперименту почти десять лет. Они построили калориметр с золотым электродом на кончике толщиной с человеческий волос, и почти полностью изолировали прибор от остальной комнаты, чтобы обеспечить отличную термальную чувствительность. Затем они нагревали калориметр до 20–40 градусов выше комнатной температуры и сблизили два электрода настолько, что они почти касались друг друга, что позволило некоторым цепям атомов углерода соединиться с электродом калориметра.

Когда два электрода находились в контакте, тепло вместе с током свободно перетекало от калориметра. Затем ученые медленно начали разъединять электроды, так чтобы их соединяли только цепи атомов углерода.

В процессе отделения цепи продолжали рваться одна за другой. По объему электрического тока ученые делали вывод о том, сколько молекул осталось. Когда осталась последняя молекула, они остановили процесс отделения, пока цепь не порвалась сама. Это вызвало внезапный, крошечный подъем температуры калориметра. Он помог рассчитать, сколько тепла проходило через углеродную цепь в одну молекулу.

Скорость теплопереноса составила около 20 пВт (20 триллионных одного ватта) на один градус Цельсия разницы между калориметром и электродом при комнатной температуре.

В макроскопическом мире теплопроводность увеличивается с толщиной материала, но в наномасштабе это не так. Один из примеров — молекулярные соединения, в которых действуют квантовые эффекты. Ученые обнаружили, что электропроводность падает экспоненциально при нарастании толщины, тогда как теплопроводность остается примерно той же самой.

Ученые предположили, что свобода передвижения тепла в наномасштабе сохраняется даже когда молекулярная цепь намного длиннее, 100 нм и больше, то есть примерно в 100 раз длиннее 10-атомной цепи, которую тестировали в эксперименте. Сейчас исследователи думают, как можно это проверить.

nanonewsnet.ru