В 1993 году японскими учеными (Ю. Вада и др.) было разработано

новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Базовая ячейка состоит из атомного шнура, переключающего атома и переключающего электрода. Общий размер такой структуры составляет менее 10 нм, а рабочие частоты оцениваются величинами порядка 1012 Гц. Принцип работы атомного реле состоит в следующем. Переключающий атом смещается из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему электроду. Реле переходит в выключенное состояние. Теоретически показано, что зазор в атомном шнуре величиной 0,4 нм является достаточным, чтобы прервать продвижение по нему электронов. На предложенной основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, ячейка динамической памяти. Предполагается, что они позволят создать суперкомпьютер c оперативной памятью 109 байт на площади 200 мкм2. Для создания атомных реле требуется уникальный сканирующий туннельный микроскоп, обеспечивающий прецизионную манипуляцию атомами. Работы в этом направлении идут успешно.

25.3. Квантовые транзисторы

Еще более высокого быстродействия можно добиться, если использовать в качестве носителя информации не электрический ток, а поток фотонов.

а) б)

Рис. 25.11. Оптический двухлучевой интерферометр (а) и схема электронного транзистора с квантовым кольцевым контуром (б)

Рассмотрим работу квантового транзистора. На рис. 25.11 изображен оптический двухлучевой интерферометр, а также схема электронного транзистора с квантовым кольцевым контуром. Пропускание интерферометра (оптического или электронного) определяется простой

формулой и однозначно зависит от разности фаз при прохождении по двум путям. Транзисторный эффект достигается за счет изменения фазы волны электрона в одном из плеч интерферометра с помощью квантово-затворного напряжения, прикладываемого к электроду Э3.

470

К каждой такой молекуле можно «привить» другие атомы и молекулы,

можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы, как в суперпрочный контейнер, или полимеризовать их, раскрыв внутренние связи, и т.д.

Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Крайне важно, что свойствами нанотрубок удается управлять, изменяя их хиральность — скрученность решетки относительно продольной оси. При этом легко можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной зоной заданной ширины. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, — канал полевого транзистора. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и показали свою работоспособность. Кроме того, нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения.

В марте учёные из IBM представили полноценную электронную интегральную схему, состоящую из всего лишь одной молекулы углеродной нанотрубки. Итак, схема состоит из одной нанотрубки и работает на частоте 52 мГц, что эквивалентно 486 процессору, а по размерам в миллионы раз меньше – ширина нового чипа в 100000 раз меньше человеческого волоса. Таким образом, технология позволяет уменьшить на порядки существующие чипы. Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы шириной от нанометра (одна миллиардная метра) и длиной до нескольких тысяч нанометров. Благодаря своим уникальным электрическим свойствам, нанотрубки считаются одним из самых перспективных материалов для электроники будущего. Исследователи из IBM заявляют, что они преследуют цель создания гибридного подхода, который будет сочетать сегодняшнюю микроэлектронику, приспособленную под изготовление чипов на кремневых подложках, с новыми материалами, которые дают возможность существенно уменьшить транзисторы. Вообще говоря, транзисторы из нанотрубок существуют уже более пяти лет. И всё это время учёные создавали схемы, совмещая такие транзисторы. Смелая идея исследователей из IBM состояла в построении сразу всей схемы на базе одной нанотрубки, а не в соединении трубок как отдельных элементов схемы, как это делалось ранее. Результат оказался фантастическим! Если до этого частота молекулярных схем измерялась килогерцами, то IBM-мовская трубка работает в тысячи раз быстрее – на частоте 52 мегагерц. Это

беспрецедентный случай создания компьютерного чипа на основе одиночных молекул. «Если еще поработать с прототипом, я думаю, мы добьемся

существенного уменьшения паразитных емкостей и сможем довести частоту чипа до терагерцевых частот», – заявил Йорг Аппензеллер (Joerg Appenzeller) из IBM. Углеродные нанотрубки особенно перспективны для разработки процессоров из-за своей способности проводить ток, не выделяя при этом большого количества тепла, что на сегодняшний день является главной проблемой современных процессоров.

472