Es war noch viel Platz nach unten, als Richard Feynman heute vor 50 Jahren seine berühmte Rede hielt, die als großer Motivation für die Nanoforschung gilt. In seiner typischen Art hatte er sich natürlich schon wieder Lösungen für die möglichen Probleme bei der Miniaturisierung von Maschinen ausgedacht. Dabei ist er ausdrücklich auch auf die Miniaturisierung von Computern eingegangen, und erkannt dass die Miniaturisierung der Bauteile wie Transistoren unausweichlich sein wird. Und natürlich hatte er recht. Die Miniaturisierung des Transistors seit seiner Entwicklung 1947 an den Bell Labs ist treibende Kraft der modernen Kommunikationswelt geworden. Ein moderner Prozesser umfasst 2 Milliarden Transistoren auf einem kleinen Chip. Die einzelnen Transistoren sind etwas um die 45 nm groß, und die Laborentwicklungen treffen die Wand der 1-Atom-dicken Transistoren. Dies bezieht sich aber alles auf Strukturen, die als Schichten auf einen Chip aufgetragen sind.
Eine neue Veröffentlichung beschreibt einen Transistor, der aus einem einzelnen Molekül besteht. Dies hat keine unmittelbare praktische Anwendung, beschreibt aber einen neuartigen Weg, einen Transistor zu bauen.
Die neue Arbeit von Forschern aus Süd Korea, aus Konstanz und von der Yale University baut auf Studien aus den 90er Jahren auf, die zeigten dass man einzelne Moleküle zwischen elektrischen Kontakten einfangen konnte. Als Molekül wird eine Ringstruktur, z.B. ein Benzolring, verwendet.
Kleine Schranken
Zunächst ist aber vielleicht interessant, überhaupt einmal zu verstehen was ein Transistor macht und warum man das brauchen kann um Computer zu bauen.
Das Prinzip ist denkbar einfach: Es ist einfach ein kleiner Schalter, der reguliert ob Strom von A nach B fließen darf oder nicht. Die dritte Verbindung ist die Schranke, die man runterklappen kann, um den Strom aufzuhalten. Auch wenn es in diesem Fall über das Anlegen von Spannungen funktioniert, ist das Prinzip doch als ob man Wasser durch Rohre fließen lässt und einen Absperrschieber hat. Vereinfachend jedenfalls.
Und zum Computer wird das dann, wenn man geschickt zwei oder mehrere Transistoren so zusammenschaltet, dass man ein logisches Bauteil erhält, ein sogenanntes Gatter. Dieses hat zwei Eingänge und zwei Ausgänge. Und je nachdem, wie man die Eingänge schaltet, also 11 oder 10 oder 01 oder 00, weiß man was an den Ausgängen geschieht. Das Standard-Gatter ist das NAND-Gatter, das eine logische “nicht und”-Verknüpfung der Eingänge realisiert. Damit lassen sich besonders einfach Schaltungen realisieren, mit denen man Rechnungen erledigen kann, wenn man die 1en und 0en im Takt durchmarschieren lässt.
Platz nach unten
Nach dem kleinen Ausflug in die Informatik jetzt also die Neuentwicklung: Ein einzelnes Molekül, das die Rolle dieser Schranke übernehmen kann. Wir können uns schonmal überlegen, was es wahrscheinlich tun wird: Wir wissen, es ist zwischen elektrischen Kontakten eingesperrt, also regelt es wohl den Stromfluss zwischen diesen Kontakten. Da es zwei Zustände haben soll, können wir vermuten, dass man eine elektrische Eigenschaft ausnutzt, die man auf zwei Arten einstellen kann, und die den Stromfluss manipuliert. Ich weiß, dass man auch mit einzelnen Elektronen und Spins so etwas herstellen möchte. Aber schauen wir doch mal, was tatsächlich gemacht wird.
Die Teile A und B von oben, zwischen denen der Strom fließen sollen, nennt man im Transistor “source” und “drain”, also Quelle und Abfluss. Den Schieber bezeichnet man treffend als “gate”, also Tor. Im Experiment waren die Elektroden aus Gold Quelle und Abfluss, und das Molekül über eine weitere Elektrode als Tor angeschlossen. Bei frostigen -269 Grad Celsius konnte Strom zwischen den Goldelektroden gemessen werden, wenn eine steuernde Spannung am Torwächter, dem Benzolring, anlag. Die steuernde Spannung modifiziert den Energiezustand der Elektronenwolke, die den Ring umgibt.
Die Ergebnisse sind in Nature veröffentlicht. Ich sollte nochmal wiederholen, auch wenn dies ein Durchbruch in der Miniaturisierung von Transistoren ist, der Feynman sich gefreut hätte, so ist man doch womöglich Jahrzehnte von Anwendungen entfernt – es muss eine streng akademische Freude bleiben 🙂
(via e! Science News und Pro-Physik)
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