近日,IBM公司的科学家们在美国《科学》杂志宣布了两项原子尺度的科学突破:第一项是在了解单个原子保持一定的磁方向、从而使其具备适合未来数据存储应 用的能力方面所迈出的重要一步;第二项是一个分子内不同原子之间及不同分子彼此之间的一个逻辑开关,它们是分子计算机的潜在构造单元.这两项重大突破为研 制原子尺度的结构和装置奠定了基础.
虽然这两项突破性研究成果的最终应用与实践还将有很长的路要走,但它却可以促进IBM公司及其他研究机构的科学家继续推动纳米领域技术的发展,即探索如何利用只有几个原子或分子的超小型部件来制造结构和装置.这样的装置在未来也许可以用作计算机芯片、存储装置和传感器.
微观世界的科学:了解原子的磁性
你能设想将3万部电影或整个YouTube网站的内容放进iPod大小的装置中马?纳米技术可以实现这个梦想.要让纳米技术发挥威力,就必需要了解并利用原子的特性;但是要处理大小只有一根头发丝宽度的几万分之一的粒子却并非易事.
在第一篇研究报告中,美国加州圣何塞市IBM公司阿尔马登研究中心的科学家们在探索单个原子“磁各向异性”特性方面取得了重大科学进展.
他们用IBM低温扫描隧道显微镜(STM)对单个铁原子进行控制并观察将他们以原子等级的精度排列在一个特制的铜表面上的情况.
在此基础上,他们确定了各个铁原子的磁各向异性的取向和强度.在这一研究成果公布之前,人们一直无法测定单独一个原子的“磁各向异性”,而原子的这一基本属性可以决定其存储信息的能力,因此具有非常重要的技术意义.
IBM科学家Cyrus Hirjibeheden说:“长期以来我们一直试图在极其微小的介质上存储信息.我们知道每个原子都具备一项最基本的特点,即起到微型磁铁的效果.如果能在一段时间内稳定其磁性方向,那么我们就能利用原子储存信息.这也是我们工作的难点.”
这一突破还可能导致体积非常小的新型结构和装置的问世,并可应用于传统计算之外的全新领域和学科.
“IT行业今天所面临的主要挑战之一是如何将数据存储的数位尽可能的缩小,同时增加存储容量,” IBM公司阿尔马登研究中心负责科学技术工作的经理Gian-Luca Bona说,
“我们的研究工作处于最前沿领域,而且我们现在距离弄清怎样在原子尺度上来存储数据已经更近一步了.了解原子的特定磁性能是寻找新的、更有效的数据存储方式的基础.”
超小型装置: 单分子逻辑开关
在第二篇研究报告中,瑞士IBM苏黎世研究实验室的科学家们描述了第一个单分子开关,它能够在不破坏分子外框架的同时进行准确无误的操作.这是朝着制造比今天的计算机芯片和记忆装置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的计算元件方向上所迈出的重要一步.
除了在一个分子内进行切换(开关)外,研究人员还演示了一个分子内的原子如何与相邻分子中的原子进行切换,这实际上就构成了一个基础逻辑元件.这种切换之所以成为可能,部分原因是分子框架没有被破坏.
计算机芯片内的开关与光开关的作用方式一样,用来打开和关闭电子流并将它们放到一起,构成逻辑门,即构成计算机处理器的电路.开关尺寸越小,电路尺寸也就相应的小,从而有可能将更多的电路集成到一个处理器上,同时还可以提高速度和性能.
以前,IBM公司及其他机构的研究人员曾经尝试过在单个分子内进行开关,但这些分子在开关时会改变形状,从而不适合构造计算机芯片或记忆元件的逻辑门.
今天,IBM公司的研究人员能够利用萘酞菁(naphthalocyanine)有机分子内的两个氢原子将单独一个分子打开和关闭.这种分子开关的出现使得制造尺寸超小、但是速度堪比超级计算机的芯片成为可能;甚至还有可能产生只有一丁点灰尘那么大或可以放到针尖上的计算机芯片.
传统基于硅的CMOS芯片的开发正在接近其物理极限,因此目前IT行业正在探索新的、真正具有突破性的技术,以进一步提高计算机的性能.模块化分子逻辑是一个可能的候选方案,虽然将其应用于具体实践仍然还需要几年时间.
背景资料:
IBM在纳米技术上的领先地位
IBM研究部门在纳米科学领域取得了一系列成就,上述就是他们的最新取得的研究成果.
IBM公司在瑞士的两位科学家因在上世纪80年代初发明扫描隧道显微镜(STM)而获得1986年的诺贝尔物理奖.
在过去的20年里,IBM公司的研究人员率先使用STM将原子定位到精确设计的结构中,同时显示原子尺度的基本性质,并研究用于信息存储、传输和处理的可能性.
最近这两项成果的科学报告已经发表在2007年8月31日出版的《科学》杂志上(第318卷,第5842期).
第一篇研究报告“Large Magnetic Anisotropy of a Single Atomic Spin Embedded in a Surface Molecular Network”报告的作者是IBM Almaden研究中心的Cyrus Hirjibeheden、 Andreas Heinrich、Christopher Lutz 和Barbara Jones,斯坦福大学纳米研究中心(the Center for Probing Nanoscale)的Chiung-Yuan Lin,莱顿大学Kamerlingh Onnes 实验室的Alexander Otte(IBM博士后),以及瑞士洛桑联邦高等工业学院纳米结构物理研究所的Markus Ternes(IBM博士后).
第二篇研究报告“Current-Induced Hydrogen Tautomerization and Conductance Switching of Naphthalocyanine Molecules”报告的作者是德国雷根斯堡大学的Jascha Repp,以及瑞士IBM苏黎世研究实验室的Peter Liljeroth 和Gerhard Meyer.
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