IBM-forskare har lyckats flytta molekyler vid rumstemperatur. En möjlig tillämpning är tusenfalt mindre och snabbare datorer baserade på kvantelektronik.

De tre forskarna James Gimzewskis, Thomas Jungs och Reto Schlittlers vid IBMs laboratorium i Zürich blev först i världen med att flytta enskilda molekyler vid rumstemperatur. Till sin hjälp har de haft ett sveptunnelmikroskop. Mikroskopet har en spets som avslutas av en enda atom och med den kan man urskilja strukturer ner på atomnivå. Mätprincipen grundas på kvantfysik och på hur elektroner uppför sig när man betraktar dem en och en.

Mikroskopets spets kan också användas för att flytta atomer och molekyler rent mekaniskt. Molekylerna som Zürichforskarna flyttade puttades helt enkelt runt på en mycket välslipad kopparskiva, se faktarutan.

Zürichforskarnas lyckade experiment kan bland annat bli starten för helt ny datorteknologi. Molekylerna kan användas för att konstruera elektriska kretsar, ledningar med mera. Ett pressmeddelande från IBM, nämner datorminnen som är 100 000 gånger mer tätpackade än dagens bästa CD-rom. Ett annat tillämpningsområde kan vara reparation av kretsar på nanonivå.

Lars Montelius på Nanometerkonsortiet vid universitetet i Lund, arbetar också med små strukturer. Han samarbetar med IBM-forskarna för utveckling av sveptunnelmikroskopet. Nanometerkonsortiet i Lund arbetar med enkristallina partiklar med en diameter av

30 nanometer. De molekyler som Zürichforskarna flyttade runt har en diameter av 1,5 nanometer, miljarddels meter.



Pentium på en pennspets


Om elektronerna rör sig i strukturer byggda av enstaka molekyler uppträder kvantfysikaliska fenomen. Det betyder bland annat att elektronerna rör sig mellan distinkt åtskilda tillstånd, kvanttillstånd. Skillnaden mellan tillstånden går att urskilja även vid mycket höga frekvenser och den ökar med krympande kretsstorlek.

Komponenter där strömmen utgörs av enstaka elektroner kan ge oerhört snabba kretsar med en frekvens mätt i terahertz, tusen gånger snabbare än dagens snabbaste, som rör sig i gigahertz-området. En dator byggd med nanometerstora komponenter blir givetvis också oerhört liten.

- Man lär väl få plats med en Pentiumdator på spetsen av en kulspetspenna, spekulerar Lars Montelius.

En nackdel är att mycket av dagens elektronikkunskaper blir gammalmodiga. Framtidens elektroingenjörer måste lära sig mycket mer kvantelektronik. Den binära datorlogiken kan också bli omodern. Antingen eller-logiken ersätts av en logik som kan bygga på flera nivåer vilket ger kompaktare kretsar.

Lars Montelius gissar att den första kommersiella produkten byggd på kvantelektronik kommer redan om tio år, byggd på IBM-forskarnas molekylteknik eller någon besläktad metod.

Kerstin Lundell



Sveptunnelmikroskop får molekylen att vandra


Sveptunnelmikroskopet har tidigare använts för att flytta såväl molekyler som atomer. Problemet är att de lätt bryts sönder vid flytten. Tidigare lyckade försök har utförts nära absoluta nollpunkten, vilket är en opraktisk temperatur att arbeta vid.

IBM-forskarna James Gimzewski, Thomas Jung och Reto Schlittler samt deras kolleger vid andra forskningsinstitutioner utvärderade ett stort antal molekyler. De fastnade slutligen för en organisk molekyl med 173 atomer byggd kring en stabil ring av porfyrin. Porfyrinringen omges av fyra kolvätegrupper som är starkt bundna till porfyrinet, men ändå rörliga. Kolvätegrupperna är molekylens fäste vid den välslipade kopparytan, ungefär som om molekylen stod på ben.

När sveptunnelmikroskopets spets puttar på molekylen, så lossnar benen från underlaget men inte från porfyrinringen, och flyttar sig framåt till nästa lämpliga position där de kan fästa igen. Man kan säga att molekylen tvingas att gå.

I mitten av molekylen finns en ensam kopparatom, som kan ersättas med en annan metallatom, vilket ändrar de elektriska egenskaperna. Och därifrån kommer möjligheten att bygga logiska kretsar.