`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

IBM демонстрирует очередные успехи в области нанотехнологий

Статья опубликована в №36 (604) от 25 сентября

+11
голос

Компания IBM сообщила о двух крупных научных результатах в области нанотехнологий. Они способны, как считают ее специалисты, со временем привести к созданию принципиально новых типов устройств и структур, построенных на базе нескольких атомов или молекул. Такие устройства могут быть использованы как компьютерные чипы будущего, системы хранения, сенсоры и приложения, которые трудновообразимы сегодня.

Стоит отметить, что эти революционные достижения все еще достаточно далеки от использования в реальных продуктах, но они позволят ученым из IBM и других организаций продолжить развитие нанотехнологий.

Подробности достижений IBM изложены в двух статьях, опубликованных в журнале Science.

IBM демонстрирует очередные успехи в области нанотехнологий
Схематическое изображение молекулярного логического вентиля из двух молекул нафталоцианина, которые зондируются сканирующим туннельным микроскопом. При приложении к молекуле импульса напряжения посредством зонда два атома водорода в соседней молекуле меняют положение и переключают целую молекулу из состояния «включено» в состояние «выключено». Это является элементарным логическим вентилем – существенным компонентом компьютерных чипов

В первой описываются успехи в измерении характеристики индивидуального атома, называемой магнитной анизотропией. Возможность измерять данную величину имеет важные технологические аспекты, поскольку она определяет способность атома к хранению информации. До этого никто из ученых не располагал средствами для измерения магнитной анизотропии единственного атома.

Не исключено, что после проведения дальнейших исследований в этой области откроются возможности для построения структур, состоящих из небольших групп атомов или даже из отдельных атомов, способных надежно хранить магнитную информацию. На базе таких структур можно будет выпускать устройства размером с плеер iPod, способные хранить почти 30 000 кинофильмов стандартного размера или весь информационный контент ресурса YouTube – миллионы видеороликов, суммарный объем которых, по различным оценкам, превышает 1000 триллионов бит.

Еще более важным, возможно, является то обстоятельство, что этот успех способен породить принципиально новые виды структур и устройств со столь малыми размерами, что они откроют путь к их применению в совершенно новых областях и дисциплинах за пределами традиционных компьютерных систем.

В своем втором отчете исследователи IBM обнародовали подробности о первом в мире переключателе на основе единственной молекулы, работа которого не сопровождается разрушениями в ее внешнем каркасе. Это существенный шаг к построению компьютерных компонентов молекулярного масштаба. Такие компоненты будут значительно меньше, быстрее и энергоэффективнее, чем сегодняшние компьютерные микросхемы и устройства памяти.

IBM демонстрирует очередные успехи в области нанотехнологий IBM демонстрирует очередные успехи в области нанотехнологий
Изображение молекулы нафталоцианина в состояниях «включено» и «выключено», полученное с помощью растрового туннельного микроскопа

В дополнение к переключателю на базе единственной молекулы исследователи также продемонстрировали, что атомы одной молекулы могут использоваться для переключения состояния атомов в смежной молекуле, тем самым представив основу элементарного логического элемента. Отчасти это стало возможным благодаря отсутствию разрушений в каркасе молекулы.

В отчете «Large Magnetic Anisotropy of a Single Atomic Spin Embedded in a Surface Molecular Network» описывается, как исследователи использовали специальный сканирующий туннельный микроскоп IBM (STM) для манипуляций над отдельными атомами железа и их упорядочения с точностью до одного на специально подготовленной медной поверхности. После этого ученые определяли ориентацию и интенсивность магнитной анизотропии отдельных атомов железа.

Анизотропия – весьма важное свойство с точки зрения хранения данных, поскольку оно говорит о том, сможет ли магнит сохранять определенную ориентацию (т. е. возможность представлять два состояния – «1» или «0»).

«Сегодня важнейшими задачами IT-отрасли являются сокращение физических размеров элементарной ячейки для хранения одного бита информации до минимально допустимого предела и радикальное увеличение емкости устройств памяти, – комментирует событие Жан-Люк Бона (Gian-Luca Bona), менеджер по науке и технологиям исследовательского центра IBM Almaden Research Center в Сан-Хосе, шт. Калифорния. – Мы работаем на пределе возможного, и сегодня приблизились на один шаг к пониманию того, как хранить данные на атомарном уровне. Понимание определенных магнитных свойств атомов – это фундамент для дальнейшего развития в направлении новых, более эффективных способов хранения данных».

В статье «Current-Induced Hydrogen Tautomerization and Conductance Switching of Naphthalocyanine Molecules» исследователи IBM описывают возможность переключения одиночной молекулы между состояниями «включено» и «выключено» (базовый элемент компьютерной логики) посредством двух атомов водорода, входящих в состав молекулы органического вещества нафталоцианина. Ранее исследователи IBM и других научных центров уже демонстрировали переключение в пределах одиночных молекул, однако в результате молекулы изменяли свою форму, что делало их непригодными для построения логических вентилей компьютерных микросхем или элементов памяти.

Переключатели в компьютерных микросхемах действуют как электрический выключатель, открывающий и закрывающий путь для потока электронов. Из совокупности таких элементов можно построить логические вентили, из которых, в свою очередь, образуются электрические схемы. Наличие переключателей такого масштаба позволит дополнительно «ужать» размеры электрических схем, разместить их больше в процессоре, чем существенно повысить его скорость и производительность.

Эти молекулярные вентили могли бы однажды привести к созданию компьютерных микросхем с такими же высокими скоростями, как у сегодняшних самых быстродействующих суперкомпьютеров, но при значительно меньших габаритах. Спекулятивно можно даже представить себе компьютерные микросхемы величиной с пылинку, способные уместиться на кончике иглы.

Развитие обычных кремниевых CMOS-чипов приближается к своим физическим пределам, поэтому IT-индустрия активно исследует новые технологии, способные обеспечить дальнейшее повышение эффективности компьютеров. Модульная молекулярная логика – возможный кандидат для решения этой задачи, хотя до ее реального применения пройдет еще не один год. Следующий шаг для ученых – объединение нескольких таких молекул в рамках электрической схемы, а затем нахождение способов для связывания этих схем в молекулярный чип.

IBM демонстрирует очередные успехи в области нанотехнологий
Одноатомный строительный блок для хранения данных: иллюстрация преимущественной магнитной ориентации атома железа на специально подготовленной медной поверхности. Способность атома к управлению своей магнитной ориентацией может помочь определить его пригодность для хранения данных

Концепция использования молекул как электронных компонентов все еще находится в самой начальной стадии. К настоящему времени были продемонстрированы всего несколько примеров применения одиночных молекул в качестве переключателей или элементов памяти. Большинство из них имеет сложную трехмерную структуру, которая при переключении меняет свою форму. Размещение таких молекул на поверхности с целью сохранения их функций – задача чрезвычайно трудная, что не позволяет применять их в качестве базовых компонентов компьютерной логики.

Переключение в пределах молекулы, продемонстрированное исследователями IBM, является однозначным, четко локализуемым, обратимым и основанным на собственных свойствах молекулы, а также не приводит к трансформациям в ее внешнем каркасе. Поэтому такая молекула вполне может быть использована как компонент для построения более сложных молекулярных устройств, которые будут служить логическими элементами. Поскольку в процессе переключения форма молекулы останется прежней, одиночные переключатели могут быть соединены между собой управляемым процессом. По всей видимости, такой механизм переключения будет успешно работать и в молекулах, внедренных в более сложные структуры.

Хотя специалисты подразделения IBM Research и просматривали различные молекулы на предмет их пригодности к использованию в роли переключателей, в тестах с нафталоцианином они не предполагали получить эффект переключения, а намеревались исследовать колебания молекул, поскольку понимание этого процесса очень важно для устройств, работающих на атомарном уровне. В ходе этих тестов были получены удивительные результаты, имеющие существенное значение для переключателей молекулярного масштаба, поэтому члены группы изменили основное направление исследований с изучения колебаний на изучение эффекта переключения, что и привело к описываемому научному открытию.

«Одна из прекрасных сторон экспериментальной науки состоит в том, что при исследовании в одной области иногда можно наткнуться на другие, гораздо более значимые, – говорит Герхард Мейер (Gerhard Meyer), старший научный сотрудник группы по исследованиям нанотехнологий в Цюрихской лаборатории IBM. – Хотя наше открытие оказалось в определенном смысле случайным, оно вполне может сыграть важнейшую роль в создании компьютеров будущего».

В заключение стоит отметить, что недавно представленные результаты являются лишь еще одним звеном в длинной серии научных достижений в области нанотехнологий, принадлежащих ученым IBM Research. И разработчики компании убеждены, что в будущем нас ожидают еще более яркие открытия.

Важнейшие достижения IBM в области нанотехнологий

1981 – изобретен растровый туннельный микроскоп (STM), который впервые открыл свободный доступ в мир отдельных атомов и молекул, находящихся на электропроводящей поверхности.

1986 – ученые IBM и Стэнфордского университета изобрели атомно-силовой микроскоп (AFM), который быстро превратился в повседневный инструмент, обеспечивающий визуализацию общего назначения и возможность манипуляций в нанометровой области.

1988 – зарегистрирован эффект эмиссии фотонов из локальных областей нанометрового размера, стимулируемых растровым туннельным микроскопом. Это позволяет изучать в нанометровом масштабе такие явления, как люминесценция и флюоресценция.

1989 – сотрудник IBM Дон Эйглер (Don Eigler) впервые в мире осуществил контролируемые манипуляции с отдельными атомами, размещенными на поверхности – с помощью микроскопа STM он написал «IBM», расположив соответствующим образом 35 атомов ксенона. Вполне вероятно, что это самый миниатюрный корпоративный логотип в мире.

1991 – продемонстрирован атомный переключатель – важнейший шаг на пути к созданию электронных компонентов атомарного масштаба.

1993 – ученые IBM и NEC независимо друг от друга открыли такое явление, как однослойные углеродные нанотрубки и разработали методы их производства с использованием металлических катализаторов.

1996 – усовершенствованы методики манипулирования молекулами с помощью микроскопа STM, что впервые дало возможность перемещать отдельные молекулы в нужное положение при комнатной температуре.

1996 – создан самый маленький в мире абак, состоящий всего из 10 атомов – еще одна важная веха в развитии инженерных методов нанометрового масштаба.

1998 – открыто явление так называемого молекулярного колеса, что дает основание надеяться на создание механизмов и двигателей нанометровых размеров.

2000 – исследователи из IBM и из нескольких университетов совместно разработали наномеханические датчики на базе микроскопических кремниевых щупов, которые позволяют обнаруживать мельчайшие количества биохимических субстанций и распознавать определенные шаблоны ДНК.

2001 – с помощью метода так называемого конструктивного разрушения удалось преодолеть главное препятствие на пути построения компьютерных микросхем из других веществ, помимо кремния, – он позволил разделить полупроводниковые и металлические нанотрубки и сформировать тем самым крошечный, но вполне работоспособный транзистор.

2001 – представлен первый в мире логический элемент молекулярного уровня – из транзисторов на основе углеродных нанотрубок были построены логические интегральные схемы, что является важнейшим шагом на пути к молекулярным компьютерам.

2002 – созданы реально действующие вычислительные схемы с минимально возможными на то время размерами с помощью каскада молекул, перемещающихся по принципу домино.

2003 – ученые IBM, Колумбийского университета и Университета Нового Орлеана продемонстрировали первую трехмерную самосборку магнитных и полупроводниковых наночастиц – этот модульный метод сборки обеспечивает соединение практически любых материалов.

2003 – представлен самый маленький в мире полупроводниковый световой излучатель, что в перспективе позволит применять углеродные нанотрубки в оптико-электронных приборах.

2004 – разработана новая методика под названием «спектроскопия на основе переворота спина», с помощью которой можно изучать свойства магнитных структур атомарного масштаба. (Эта методика использовалась для измерения фундаментальной магнитной характеристики одиночного атома – а именно величины энергии, необходимой для транспонирования его магнитной ориентации.)

2004 – измерена напряженность магнитного поля одиночного электронного спина с использованием весьма чувствительного магнитно-резонансного атомно-силового микроскопа, тем самым продемонстрирована возможность существенного повышения чувствительности магнитно-резонансной томографии.

2004 – реализована возможность контролируемого изменения заряда отдельных атомов, которая может позволить расширить масштабы исследований на атомарном уровне.

2005 – с помощью наноэлектронных технологий создано крошечное устройство, замедляющее скорость света. Таким образом, сделан огромный шаг на пути к использованию света вместо электричества для соединения электронных компонентов.

2006 – создана первая в мире полноценная электронная интегральная схема на основе молекулярной «углеродной нанотрубки» – материала, способного потенциально существенно повысить производительность по сравнению с обычными кремниевыми полупроводниками, причем микросхема была построена в рамках стандартных процессов полупроводникового производства.

2006 – разработана новая мощная методика для исследования атомного магнетизма и управления им, которая может помочь понять принципы функционирования перспективных вычислительных схем и элементов хранения данных, приближающихся по своим размерам к уровню атомов.

2006 – найдено объяснение квантовомеханических эффектов, возникающих при прикреплении к молекуле атомов золота.

2007 – продемонстрировано первое в мире промышленное применение технологии «самосборки», которая используется для создания вакуума – идеального изолятора – вокруг нанопроводов в микропроцессоре следующего поколения на основе полупроводниковой технологии IBM Airgap.

2007 – разработана технология магнитно-резонансной томографии, обеспечивающая возможность визуализации объектов наномасштаба – огромное достижение на пути построения микроскопа, способного «увидеть» строение атома в трех измерениях.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT