Återuppfinna transistorn

Varje fredag ​​eftermiddag på Hewlett-Packard Labs i Palo Alto, Kalifornien, samlar R. Stanley Williams, en av de mest respekterade tänkarna inom området molekylär elektronik, sin grupp på 25 forskare för att prata butik. En efter en tar de sig till konferensrummet. Williams går in exakt i tid, sätter sig framför och lutar sig bakåt, rynkade pannan med händerna svepande. Han anställdes av HP 1995 för att ompröva grunderna i datoranvändning och har handplockat teamet i det här rummet för att göra just det. Williams gillar att bära jeans, och hans hår når halvvägs ner på ryggen, så han ger ett första, flyktigt intryck av tystnad och informalitet. Men han ler tydligen aldrig, och hans folk arbetar 19-timmarsdagar för att uppfylla hans deadlines. Williams väntar några minuter på de vanliga senkomlingarna och reser sig sedan upp. Han talar i en effektiv monoton.

Vi ska höra Gun-Young först idag, säger han. Det han har åstadkommit är fantastiskt. Alla här är skyldiga honom en lunch eftersom hans hårda arbete har betalat för våra löner under de senaste månaderna.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2003

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Gun-Young Jung, en nyligen postdoc från Sydkorea, ställer sig upp och beskriver tyst sitt arbete med nanoimprint-litografi, en process som använder en fysisk form för att skapa detaljer så små som sex nanometer i diameter på kiselwafers. Det är mer än en storleksordning mindre än de finaste funktionerna som kan uppnås med dagens avancerade fotolitografiska processer. Ibland fastnar det dock i formen. Det är som en kaksmet som fastnar i en form, säger han. Hans presentation tar cirka tio minuter och följs av två andra.

Att lyssna på dessa högtalare, en efter en, förmedlar gradvis en känsla av gruppens stil. De njuter av självironisk humor och injicerar frekventa uttryck av förvirring i sina vetenskapliga förklaringar, som jag inte vet och det är fortfarande ett mysterium och jag behöver fortfarande undersöka det, och till och med jag är fortfarande ganska nybörjare. Och trots deras uppenbara expertis är detta inte falsk blygsamhet.

Williams grupp står inför en monumental uppgift: att försöka göra datorer vars funktionalitet vilar på hur molekyler fungerar. Att göra det kommer att innebära att man återuppfinner transistorn. Medan kisel och andra oorganiska halvledare alltid har varit de grundläggande byggstenarna för mikrochips, visar det sig att organiska molekyler också kan ha några potentiellt användbara elektriska egenskaper. Under de senaste åren har forskare faktiskt lärt sig att syntetisera molekyler som kan fungera som elektroniska switchar, hålla binära 1:or eller 0:or i minnet eller delta i logiska operationer. Och molekyler har en betydande fördel: de är verkligen små.

Sådant arbete är avgörande för framtidens datoranvändning, eftersom konventionell teknik för chiptillverkning är på kollisionskurs med ekonomin. Dagens bästa datorchips har kiselegenskaper så små som 90 nanometer. Men ju mindre funktionerna är, desto dyrare behövs den optiska utrustningen för att tillverka dem. En toppmodern tillverkningsanläggning för mikrochips av kisel kostar nu cirka 3 miljarder dollar att bygga. Ett chip där kiseltransistorer ersätts med molekylära enheter skulle däremot i princip kunna tillverkas genom en enkel kemisk process lika billig som att göra fotografisk film. En krets med 10 miljarder switchar skulle så småningom kunna passa på en nypa salt; det är tusen gånger densiteten för transistorerna i dagens bästa datorer. En dator byggd av sådana kretsar skulle kunna söka i miljarder dokument eller tusentals timmar video på sekunder, utföra mycket exakta simuleringar och förutsägelser av väder och andra fysiska fenomen, och göra ett mycket bättre jobb med att imitera mänsklig intelligens, kanske till och med kommunicera med oss ​​genom naturliga samtal.

Men oavsett hur lockande i teorin, är det spekulativ, blå himmel forskning, och investeringar i molekylär elektronik är en chansning som få företag har varit villiga att göra. HP:s förtroende för Williams är en stor anledning till att det är ett av undantagen, säger Shane Robison, företagets vice vd och chef för strategi och teknik. Förutom hans förmåga att sätta ihop ett förstklassigt team av tvärvetenskapliga experter och en betoning på hur man förvandlar vetenskap och teknik till riktiga produkter, är Stans bästa kvalitet förmodligen hans eviga optimism, säger Robison. Naturligtvis finns det också lockelsen med enorma vinster, om Williams teknologi någonsin skulle ersätta konventionella kiselchips. Så här ambitiösa projekt är alltid ett långt skott, men vi skulle inte göra det om vi inte trodde att det fanns en god chans att lyckas, säger Robison.

Förvisso har företaget säkrat sin satsning genom att vara försiktig med finansiering. Williams grupp har ett fyraårigt anslag på 12,5 miljoner dollar från U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), och HP tillhandahåller matchande medel, men ungefär hälften av DARPA-finansieringen går till universitetsforskningspartners. Tecken på besparing finns överallt i labbet, från brist på förnödenheter i fikarummet till juryriggad utrustning. Ändå har gruppen gjort det ena genombrottet efter det andra, framför allt genom att bevisa att en tvärstångsdesign som en gång var vanlig i konventionell elektronik kan återuppstå på molekylär skala. I en demonstration förra året fångade gruppen molekyler i korsningarna mellan titan och platina nanotrådar arrangerade i ett åtta gånger åtta, en mikrometer kvadratiskt rutnät, och visade att molekylerna kan slås på och av vid specifika korsningar-a första steget i att bygga ett arbetsminne eller logikenhet.

Arbetar blind

Tillbringa lite tid i Williams labb och du börjar förstå varför mycket om molekylär elektronik fortfarande är ett mysterium, som börjar med den relativt enkla frågan om exakt vad forskarna bygger. Yong Chen, född i Kina och medlem i Williams grupp sedan 1998, tillbringar mycket av sin tid sittande i ett kvavt, fönsterlöst, nio kvadratmeter stort rum stoppat med tjockt skum. Det är hemmet för ett känsligt elektronmikroskop, som använder elektronstrålar för att skapa en grov bild av strukturerna Chen skapar i laboratoriet nere i korridoren.

Chen är ledaren för teamet som har gett gruppen den största publika framgången hittills, 64-bitars stavminnet. Hans team tryckte först åtta parallella nanotrådar gjorda av titan och platina på ett kiselsubstrat och täckte dessa trådar med ett enmolekyltjockt lager av en syntetisk kemikalie som kallas rotaxan. De deponerade sedan en andra uppsättning titantrådar vinkelrätt mot den första, vilket skapade möjligheten för en elektrisk anslutning mellan ledningarna vid vilken korsning som helst i nätet.

Varje rotaxanmolekyl - som uppfanns av kemisten Fraser Stoddart vid University of California, Los Angeles - består av en lång axel med två klumpar av atomer i varje ände och en ring av atomer som cirklar runt axeln. Stoddart och Williams grupper teoretiserar att när en spänning appliceras genom ett specifikt, korsande par av nanotrådar, hoppar ringarna på rotaxanmolekylerna mellan ledningarna från ena änden av axeln till den andra och stannar där tills en annan spänning appliceras. Detta kan höja eller sänka molekylernas motstånd mot elektrisk ström, och dessa två konduktivitetstillstånd skulle representera digitala 1:or eller 0:or. Nu försöker Chen, ivrig efter att se hur liten han kan göra en sådan enhet, skriva ut de enskilda ledningarna ännu närmare varandra. Det är mödosamt förlossningsarbete, där du aldrig vet om du gör framsteg förrän det fungerar.

Idag är Chen öppen i munnen, hänförd, fokuserar absolut uppmärksamhet på monitorn framför sig, samtidigt som han försöker föra en konversation. Han är inte helt framgångsrik. Flera minuter går tyst medan en fråga hänger i luften, obesvarad. Han ökar mikroskopets förstoring när han söker igenom en serie suddiga, grå-på-grå bilder som ser ut som satellitbilder av en öken.

Efter att vi är klara med tillverkningsprocessen kommer vi in ​​hit för att kolla vad det är för saker vi har, säger han. Jag vill se om ledningen är jordad till substratet eller hängd ovanför den. Det finns en. Oj, jag tappade det.

Så småningom hittar han något som ser ut som en längd av armeringsjärn på en hög med koldamm men som faktiskt är en tråd, 35 nanometer bred, vilande på kiselbasen. Han tar en bild, tyst igen, håller andan eftersom ljudvågor påverkar bildens kvalitet.

Vi kan prata nu, säger han. Här kan du faktiskt se att den här tråden är bruten. Synd. Det här är ett rutinexperiment, ärligt talat. Chens mål är att hitta en kombination av material - ett recept, om du vill - som kommer att ge en teflonliknande icke-klibbighet till formen som avsätter trådarna på substratet; annars buktar de och vrider sig när formen tas bort. Men när du sitter i detta tysta, skumtäckta rum och ser en av de ledande forskarna på området leta igenom korniga bilder, inser du hur svårt det är att arbeta på den här skalan. Tre veckor senare, efter fem månader av mödosamt experiment och observationer, hittar Chen och Gun-Young Jung resultatet de letade efter, vilket för möjligheten till kretsar av molekylstorlek ett litet steg närmare.

Jag räknade fel på flera saker, säger Chen enkelt.

Nu kan han gå vidare till nästa problem.

Byt plats

Att observera resultat är förstås det sista steget i ett händelseförlopp som traditionellt börjar med en teori om hur saker och ting ska bete sig. När det gäller molekylär elektronik har dock väldigt lite gått en rak kurs från teori till experiment till resultat. Teorier kan försvinna i flera år i väntan på verktyg som är tillräckligt exakta för att testa dem. Faktum är att kemister först föreslog idén om molekylär elektronik i mitten av 1970-talet, men ytterligare 20 år skulle gå innan någon kunde börja omsätta den i praktiken. På senare tid har dock experimentella resultat börjat hoppa över teoretikers förmåga att förklara dem.

Ett pussel är bristen på konsekvens när det gäller att mäta experimentella resultat, från labb till labb och till och med från experiment till experiment. Alex Bratkovsky, en teoretisk fysiker och infödd i Moskva som gick med i HP 1996, säger att han var en av de första som insåg att en molekyls orientering mellan metallelektroder är avgörande för att förstå dess växlingsegenskaper. Strömmen beror oerhört mycket på hur molekylen ansluter till substratet, säger Bratkovsky. Signalen kan försvinna och sedan komma tillbaka, beroende på molekylens position. Vi ignorerade det faktum ett bra tag. Eftersom kontroll av molekylens orientering fortfarande är bortom nuvarande experimentella verktyg, varierar resultaten mycket från labb till labb, och forskare måste i många fall bedöma om skillnader mellan deras resultat har verklig betydelse eller kan förklaras av effekter som fortfarande ligger utanför experimentell kontroll.

För att förstå växlingsfenomenet studerar HP-forskarna en rad nya molekyler som kan kontrolleras lättare än rotaxan, säger Bratkovsky. Vissa av dessa håller redan på att utformas, men framstegen går långsamt. Det kan ta mer än två år att designa, simulera, syntetisera och slutligen testa en molekyl för dess elektroniska egenskaper – varefter forskare kan finna sig själva att börja om från början.

Tvärs över korridoren från Bratkovsky tillbringade Duncan Stewart, en experimentell fysiker som nyligen anställts av Williams labb, mer än sex månader på ett kontrariskt experiment för att hjälpa till att undersöka varför vissa molekyler kan fungera som molekylära omkopplare och ändra sin konduktivitet som svar på en pålagd spänning. Istället för designermolekyler som rotaxan använde Stewart en enkel kolvätemolekyl bestående av en kedja av 18 kol omgiven av väteatomer. Stewart kallar det den molekylära världens Plain Jane. Den är stabil, inert och borde teoretiskt sett inte ha några intressanta elektroniska egenskaper. Men det bytte ändå.

Jag har massor av data, och historien är att data inte passar någon modell eller någon existerande teori. Så även i det enklaste fallet förstår vi inte hur elektroner färdas genom en molekyl, säger han. Ibland är det extremt frustrerande. Du måste vara väldigt grym, slå huvudet mot en vägg i sex månader, och så småningom viker en tegelsten, och så småningom faller hela väggen sönder och du ser en annan vägg.

Dammet i maskinen

Om materialen som studerats av dessa forskare verkar förbryllande och oförutsägbara, är maskineriet de använder ännu mer. Framsteg inom molekylär elektronik är ofta utsatta för oförutsägbara fel i den experimentella utrustningen. Detta är trots allt laboratorievetenskap och inte ingenjörskonst.

Tan Ha, född i Vietnam, är ansvarig för utrustningen som används i labbets rena rum. Två eller tre gånger om dagen tar han på sig en renrumsdräkt och går in i rummet för att testa, justera och modifiera utrustning för vad som i många fall är första i sitt slag. Vi klär oss. Nu är vi redo för kemisk krigföring, säger han. Masken över ansiktet gör det svårt att bedöma om han skämtar.

Väl inne gör vi en beeline för en maskin som kallas en kemisk ångavsättningsreaktor. Det ser ut som en stor stålcylinder på sidan, inkapslad i glas. Jag har ett speciellt förhållande till den här maskinen, säger han och rör vid glaset med en handskbeklädd hand.

Den här typen av reaktorer är standardpris i halvledartillverkningsanläggningar, men Ha har modifierat maskinen för att utföra de ultraprecisa experiment som krävs av Ted Kamins, en medlem av Williams grupp sedan 1995. Kamins har arbetat i flera år med den ultimata drömmen om nanoforskning: att göra enheter växer i önskade strukturer snarare än att bygga dem bit för bit. Hans mål är att odla de nanotrådar som krävs av molekylär elektronik, som ett alternativ till att använda nanotrycklitografi. Hittills har Kamins syntetiserat trådar så små som 10 nanometer i diameter genom att exponera nanopartiklar av olika material för en blandning av gaser i deponeringsreaktorn. I den efterföljande reaktionen växer långa kedjor av kisel upp runt partiklarna och producerar det som under elektronmikroskopet ser ut som en nålskog.

Att odla de kablar som krävs för molekylär elektronik är spännande saker, men Kamins speciella experiment hände nästan inte. Ha berättar att han ägnade över ett år av sitt liv åt att försöka få maskinen att fungera. Varje gång vi körde ett experiment skulle kontaminering förstöra processen, säger han. Det var inte så att maskinen var trasig; det är bara det att ingen någonsin behövt göra de experiment som Kamins ville göra. Det fick bli en andlig agenda för mig, säger Ha. Ted var frustrerad. Det var jag också. Jag skulle ligga här på knä hela dagen och ändra saker skruv för skruv. Jag gick och la mig på kvällen och blundade och såg VVS-diagrammet på mina ögonlock. Det visade sig vara ett problem i avgassystemet. Jag gick hem och sa till min fru, That's it; Jag är en beprövad utrustningsingenjör.’ Så glad var jag.

Att välja en vinnare

Till Duncan Stewarts besvikelse bad Williams honom att publicera sina resultat med kolvätemolekylen efter sex månader och koncentrera sig på annat arbete. Ändå uppmuntrade Williams Ha att fortsätta arbeta på knäna och drömma om VVS-diagram i ett år, för experiment som Williams uppskattar är minst sex år efter att ha börjat och kanske aldrig kommer att ge ett praktiskt resultat. I ett hav av konkurrerande teorier och möjligheter, och med den budgetpress han klagar på med viss regelbundenhet, hur bestämmer han sig?

Det är en fråga om erfarenhet, säger Williams. Jag har varit på många återvändsgränder många gånger under min karriär. De är så lockande. Du kan komma in i dessa saker och tänka, okej, bara ett steg till, bara ett steg till. Andra saker känns som att de är i rätt riktning, och jag kan se vart vi är på väg. Med andra ord, han har lärt sig att lita på sin intuition, för det är allt han har. Jag har gått igenom cykeln många gånger.

Williams längsta engagemang för någon idé inom molekylär elektronik är tvärbalksarkitekturen. Men han medger att även denna idé kan vara en återvändsgränd. Kommer det någonsin att vara möjligt, till exempel, att rent fånga molekyler vid korsningen av två ledningar med fullständig förtroende för deras orientering? Sedan finns det det praktiska problemet med förstärkning, eller att förvandla en svag elektrisk ingång till en stark utgång; detta är en kritisk förmåga som behövs både för att utföra logiska operationer och för att förstärka de små strömmar som passerar de molekylära switcharna så att konventionella kiselsystem kan upptäcka dem. Och det är ett problem utan någon påvisad lösning.

Stan är en smart kille, Gud välsigne honom, och om någon kan lösa de här sakerna kommer det att vara hans team, säger James Tour, en kemist vid Rice University som arbetar med ett konkurrerande tillvägagångssätt för molekylär beräkning. Men han har ett tufft problem. Vid varje korsningspunkt måste molekylerna vara stabila. Sedan måste de samverka med alla ledningar som kommer ut. Det är en enorm kostnad för det. De har en brant backe att bestiga.

Det är säkert möjligt att vi har fel, medger Williams. Sedan skakar han på huvudet och slutar vara ödmjuk för en kort stund.

Jag tror inte det, säger han. Jag tror att vi har utsett vinnaren, något som kommer att tillåta detta som vi kallar Moores lag att fortsätta i 50 år till. Jag trodde att det var omöjligt. Nu tror jag att det är oundvikligt.

Alternativ till kisel
Teknologi	beräkningselement	Ledande institutioner
DNA-beräkning	DNA- och RNA-strängar i lösning	University of Southern Kalifornien, Weizmann Institute of Science
Molekylära elektroniska enheter	Molekyler som rotaxan	University Hewlett-Packard, Yale
Nanoceller	Guldnanopartiklar avsatta i slumpmässiga arrayer	Rice University
Nanorör elektroniska komponenter	Kolnanorör som fungerar som transistorer, minne och ledningar	IBM, Harvard University, NASA Ames Research Center
Kvantberäkning	Kvantegenskaper hos elektroner och molekyler	MIT, IBM, Hewlett-Packard, National Institutet för standarder och teknik

Dölj