Что мешает
дальнейшей миниатюризации?

В настоящее время миниатюризация микросхем достигла своего «классического» предела: элементы и соединяющие их цепи уже имеют толщину в несколько атомов. Еще немного – и царствовать будет квантовая физика с ее непредсказуемым поведением атомов и субатомных частиц. Вот почему усилия ученых направлены на поиски путей «обхода» этого препятствия.

Голландские ученые из Лейденского университета, сотрудники лаборатории им. Х.Камерлинг-Оннеса, получившего в самом начале XX в. Нобелевскую премию за открытие сверхпроводимости, предложили в качестве «проволоки» использовать молекулу... водорода, «натянутую» между двумя платиновыми электродами.

Уже относительно давно ученые разных стран пытаются создать на различных подложках элементы молекулярной электроники – переключатели, диоды и т.п. Делается это обычно путем фиксации молекул на поверхности подложки с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Микроскоп этот, как известно, содержит тончайшую иглу, подводимую к поверхности твердого тела на такое малое расстояние, что между иглой и проводящей поверхностью начинает протекать туннельный ток. Кстати, похожий «пробой» достигается с помощью той же лейденской банки.

Поскольку на игле сканирующего туннельного микроскопа скапливается заряд, ее кончик становится «липким» для молекул, что позволяет переносить их с одного места на другое. Так осуществляется молекулярное конструирование. Однако долго не удавалось добиться долговременной стабильности сконструированных структур.

И вот в Лейдене достигли желаемой устойчивости, создав указанную выше простую и надежную молекулярную систему из молекулы водорода и двух платиновых электродов. Эксперименты показали, что водород образует стабильный мостик и в отличие от органических соединений обеспечивает практически совершенную проводимость. Такая квантовая единица служит электрическим каналом для проведения тока.

Схема проводника выглядит следующим образом:

Pt –H –H –Pt.

Cозданная молекулярная система, как надеются ученые, в дальнейшем успешно послужит при фундаментальных исследованиях в области квантовой электроники.

Пока же ученые продемонстрировали классическую синусоиду переменного тока, гребню и впадине которой соответствовали ±63,5 милливольта.

А немецкие и швейцарские ученые экспериментируют все же с органическими веществами. Специалисты из университета немецкого г. Констанц и Цюрихского института технологии охладили молекулярную систему до 1,4 К и с помощью все того же сканирующего туннельного микроскопа получили лазерные спектры для молекул террилена.

В настоящее время квантовые эффекты на уровне отдельных атомов и ионов исследуются с помощью атомных и ионных ловушек, в которых движущиеся частицы «замораживаются» чуть ли не до абсолютного нуля, в результате чего их удается «остановить». Благодаря этому уже созданы атомные часы на уловленных атомах ртути, которые дадут ошибку в 1 с за 150 миллионов лет! Даже гораздо менее точные часы на основе подобных ловушек в свое время позволили создать мобильную телефонную связь и многое другое.

Давняя мечта ученых – это создание квантовых компьютеров, в которых информация обрабатывается не с помощью только двух состояний – «0» и «1», а с использованием «квантовых битов», имеющих многие состояния. Другая мечта ученых – так манипулировать квантовыми состояниями атомов и молекул, чтобы получать желаемые фотоны.

Такой источник света станет незаменимым в квантовой криптографии (вас никто не сможет подслушать или взломать ваш сайт).

Идеальным в этом смысле видится использование взаимодействия резонирующих диполей, в результате которого происходит делокализация возбуждения в молекулярных структурах, в частности в кристаллах. Суть данного явления заключается в подстройке частоты возбуждения одной молекулы в ответ на возбуждение другой.

В Констанце и Цюрихе решили использовать еще более экзотическое взаимодействие, а именно одновременное – двухфотонное – возбуждение двух молекул в паре.

Такое явление, относящееся к области нелинейной оптики, уже относительно давно предсказано теоретически, но никому еще не удавалось наблюдать его на практике.

Дело в том, что никто пока не смог так сблизить две молекулы, чтобы они начали достаточно сильно взаимодействовать друг с другом. К тому же время жизни таких молекулярных систем должно быть крайне мало – какие-то наносекунды. Временное ограничение вызвано тем, что уж очень мало время жизни самих возбужденных состояний электрона. Вот почему никто не видел путей практического использования таких систем.

Чтобы преодолеть это препятствие, ученые решили «заморозить» молекулы, что и было сделано. Террилен был растворен в специальном растворителе, после чего раствор был закристаллизован. Для опытов был взят кристалл толщиной 250 нанометров (нм), нижняя поверхность которого была позолочена. Тем самым кристалл сделали электропроводным, что крайне важно при использовании сканирующего туннельного микроскопа.

Игла микроскопа имела на конце микросферу диаметром 3 микрона, покрытую серебром, что позволяло использовать ее в качестве электрода (рис. 1). Возбуждение молекул террилена осуществляли лазером с длиной волны 578 нм, а их флуоресценция улавливалась детектором.

При поиске парных молекулярных систем микросфера иглы сканирующего туннельного микроскопа была удалена от поверхности кристалла на 370 нм, т. е. находилась на расстоянии, которое в ~1,5 раза меньше длины волны лазерного луча. При подаче напряжения на микросферу в кристалле возникало неоднородное электрическое поле, которое вызывало молекулярный резонанс. Так был уловлен двойной гребень (рис. 2) от двух молекул, удаленных друг от друга в кристалле всего лишь на 10±1 нм! Можно полагать, что это и есть среднее расстояние между молекулами террилена в истинном растворе.

Игла микроскопа двигалась в плоскости х, y (как на графопостроителе). Движение туда-сюда было в интервале ~1 микрон, который в 100 раз больше среднего расстояния между молекулами террилена в кристалле. Возбуждение одной молекулы приводило к изменению конфигурации электронного облака другой. Ученые назвали это локальным давлением на соседа.

Сдвиг электронных уровней в молекулах приводил к возникновению у них электрических диполей.

Из-за близкого соседства диполей они «спариваются», о чем свидетельствует третий (меньший по высоте) гребень (см. рис. 2), расположенный посредине между двумя основными гребнями. Это означает, что при близком соседстве молекул в кристалле возможно управление их поведением с помощью света.

Такая возможность открывает перспективы инженерии квантовых состояний. Ученые предвидят, что в качестве подложек (матриц) могут использоваться самоорганизующиеся химические системы, в кристаллических решетках которых будут располагаться искусственно созданные наборы молекул. Подобный молекулярный «дизайн» позволит оперировать с контактами, размеры которых ~10 нм, а также осуществлять контроль оптических взаимодействий между ними.

То, что это не плод воображения, демонстрируется, как указывают ученые, существованием подобных систем в природе. Самый известный пример – фотосинтез, который начинается с улавливания фотонов солнечного света в так называемых светоулавливающих системах хлоропласта зеленого листа растений.

Молекулы в этих световых «антеннах» расположены таким образом, что фотон, не теряя своей энергии, передается по молекулярной цепи и, достигнув атома магния в хлорофилле, выбивает из него электрон. Так начинается великое таинство фотосинтеза, без которого была бы невозможна биосфера в ее нынешнем виде...

Материал подготовил И.Э.Лалаянц
(Nature, 2002, № 6910, р. 906;
Sсience, 2002, № 5592, р. 369, 385)