Молекулярный переключатель 18.03.2023

Международная группа исследователей, в том числе из Института физики твердого тела Токийского университета, совершила новаторское открытие. Они успешно продемонстрировали использование одной молекулы под названием фуллерен как переключатель, подобный транзистору. Команда достигла этого, применив точно откалиброванный лазерный импульс, позволивший им предсказуемо контролировать путь входного электрона.

Процесс переключения, обеспечиваемый молекулами фуллерена, может быть значительно быстрее, чем используемые в микрочипах переключатели с увеличением скорости на три-шесть порядков в зависимости от используемых лазерных импульсов. Использование фуллереновых переключателей в сети может привести к созданию компьютера с возможностями, превышающими возможности, которые доступны с помощью электронных транзисторов. Кроме того, они обладают потенциалом революционизировать устройства для микроскопических изображений, обеспечивая беспрецедентный уровень разрешения.

Более 70 лет назад физики обнаружили, что молекулы излучают электроны в присутствии электрических полей, а затем и определенных длин волн света. Излучение электронов создавало узоры, которые вызывали любопытство, но избегали объяснения. Но это изменилось благодаря новому теоретическому анализу, разветвление которого может не только привести к новым высокотехнологичным применениям, но и улучшить нашу способность тщательно исследовать сам физический мир.

Простая аналогия того, как фуллереновый переключатель работает как переключатель поездов. Световой импульс может изменить путь, по которому проходит входной электрон, представленный здесь цепью.

Исследователь проекта Хирофуми Янагисава и его команда выдвинули теорию о том, как должно вести себя излучение электронов из возбужденных молекул фуллерена под действием определенных типов лазерного света, и проверив свои прогнозы, обнаружили, что они правильны.

В зависимости от импульса света, электрон может либо оставаться на своем курсе по умолчанию, либо быть перенаправленным предсказуемым способом. Итак, это чуть-чуть похоже на точки переключения на железнодорожном пути или электронный транзистор, только гораздо быстрее. Ученые считают, что мы смогут добиться скорости переключения в 1 миллион раз быстрее, чем классический транзистор. И это может привести к настоящей производительности в вычислениях. Но не менее важно то, что если мы сможем настроить лазер, чтобы побудить молекулу фуллерена переключаться несколькими способами одновременно, это может походить на наличие нескольких микроскопических транзисторов в одной молекуле.

Молекула фуллерена, лежащая в основе переключателя, связана с возможно немного более известной углеродистой нанотрубкой, хотя вместо трубки фуллерен является сферой атомов углерода. При размещении на металлической точке - по сути, на конце шпильки - фуллерены ориентируются определенным образом, чтобы предсказуемо направлять электроны. Быстрые лазерные импульсы в масштабе фемтосекунд, квадриллионных частиц секунды или даже аттосекунд, квинтиллионных частиц секунды, фокусируются на молекулах фуллеренов, чтобы вызвать излучение электронов. Это первый раз, когда лазерный свет использовался для контроля излучения электронов с молекулы таким образом.

В принципе, поскольку несколько сверхбыстрых электронных переключателей можно объединить в одну молекулу, потребуется лишь небольшая сеть фуллереновых переключателей, чтобы выполнять вычислительные задачи гораздо быстрее, чем обычные микросхемы. Но есть несколько препятствий, которые нужно преодолеть, например, как миниатюризировать лазерный компонент, который будет необходим для создания этого нового вида интегральной схемы. Итак, может пройти много лет, прежде чем мы увидим смартфон на основе коммутатора фуллерена.