Молекулярный компьютер

6.Тетрацианохинометамид + N-метилофеназин (впечатляет название?:));

7.Нитрид серы;

8.Металлоорганические соединения Cu и Ag. В этих структурах под воздействием электрического поля или светового потока происходят переключения, аналогичные происходящим в транзисторах;

9.Различные новые вещества, полученные методами генной инженерии. Это дает возможность конструировать молекулярные фрагменты, которые могут

выполнять логические операции и хранить информацию.

Некоторые из указанных выше веществ обладают полупроводниковыми свойствами, например, зависимостью сопротивления от температуры и освещенности. Электронные же свойства перечисленных веществ зависят от условий синтеза веществ, а электроперенос в них происходит вдоль цепи молекул.

Эти вещества используются либо в виде пленок на твердых подложках (например, на кремнии), либо в виде молекулярных кристаллов.

Очень важным свойством молекул является их способность преобразовывать одну энергию (например, химическую, электрическую, механическую или электромагнитную) в другую с очень высоким КПД.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Впервые теория использования органической молекулы в качестве элементной базы микроэлектроники возникла в 1974 году, когда ведущие инженеры фирмы IBM А. Авирам и М. Ратнер предложили модель

выпрямителя (диода), состоящего из одной органической молекулы.

Две половинки этой молекулы обладают противоположными свойствами по отношению к электрону: одна может только отдавать электрон (донор), а другая – только принимать (акцептор). Если поместить такую ассиметричную молекулу между двумя металлическими электродами, то вся система будет проводить ток только в одном направлении.

Переключатель, созданный в фирме „Хьюлетт Паккард“: Монослой молекул катенана помещают между металлическим и кремниевым электродами. После электрохимического окисления супрамолекулы - на одной из её частей появляется дополнительный положительный заряд. Поскольку в исходной

форме эта часть соседствует с одноимённым зарядом, то после окисления плюсы отталкиваются и молекула перегруппировывается. Образуется вторая стабильная форма, и меняется электрическое сопротивление.

Главное достоинство такого переключателя — его исключительно высокая устойчивость. Цикл окисления-восстановления катенана можно совершать 10–20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Молекулярный переключатель.

Переключение происходит при воздействии электрического поля (+2 В; –2 В), а считывание — измерением сопротивления (0,1 В)

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

будет основана на тех же принципах, что и переключатели, в её основе — бистабильные молекулярные структуры и их же превращения.

В настоящее время применяют магнитные и оптические носители памяти, которые основаны на принципе двумерной записи, и это ограничивает объёмы записываемой информации. Теоретическая плотность оптической записи информации обратно пропорциональна квадрату длины волны используемого для записи света, поэтому предел возможностей однослойного компакт-диска равен 3,5·108 бит/см2 (для света с длиной волны 532 нм).

Предполагают, что в молекулярных компьютерах можно будет записывать оптическую информацию не только на поверхности активной среды, как это делается в настоящее время, а в полном объёме — то есть память станет трёхмерной.

Если использовать для записи весь объём образца, то плотность записи на трёхмерном носителе с тем же источником света будет уже 6,5·1012 бит/см3, на четыре порядка больше. Если же применять более жёсткое излучение, то объём записываемой информации увеличивается ещё на порядок.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Чтобы записать информацию в объёме образца или, по крайней мере, на нескольких его слоях, нужна новая система записи.

Для этого используют метод двухфотонного поглощения.

Суть метода в том, что необходимая для записи энергия (hv) доставляется двумя фокусируемыми в нужной точке лазерными пучками с частотами v1 и v2, подобранными так, чтобы hv = hv1 + hv2.

Механизм трёхмерной (3D) молекулярной памяти

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Считывание записанной таким образом информации происходит при регистрации флуоресценции молекулы В, также возбуждаемой двухквантовым

переходом. Флуоресценция — не единственный, но в силу особенно высокой чувствительности наиболее привлекательный метод считывания записанной информации.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Другой перспективный подход к созданию молекулярной памяти продемонстрировали М. Рид (Йельский университет) и Д. Тур (компания „Хьюлетт Паккард“). Они сделали сандвич примерно

из 1000 молекул ароматического дитиола и поместили его между золотыми электродами . При определённом напряжении, поданном на электроды, этот сандвич удерживает электроны (то есть хранит данное состояние в памяти) в течение примерно 10 минут (стандартная кремниевая динамическая память DRAM удерживает всего

на миллисекунды).

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Интересно, что электроны проходят через молекулу без рассеяния тепла. Авторы исследования думают, что их „электронная присоска“, как они её назвали, может служить прототипом нового поколения динамической памяти.

Первым технически реализованным устройством оптической молекулярной памяти, которое было запущено в производство американской фирмой "Констеллэйшн-ЗД", были многослойные люминесцентные диски на базе созданных в России соединений. В настоящее время эта технология претерпела значительные улучшения.

Несколько фирм из США создают 500-слойные диски, на которых можно записывать информацию в размере терабитной емкости.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Третий компонент молекулярных компьютеров — проводники, обеспечивающие сообщение между молекулярными транзисторами и молекулярными устройствами памяти.

Дизайн проводников, также имеющих наноскопические размеры, учёные ведут по трём основным направлениям:

Первое — это проводящие полимеры: допированный полиацетилен (Нобелевская премия 2000 года), политиофен, полианилин и др.

Второе — различные органические проводники, которые обладают достаточно высокой проводимостью, до 102-103 с/м. Все они представляют собой длинные сопряжённые молекулы, в которых электрон переносится по цепи π-связей.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич