Nanovezetékek és belőlük készített eszközök. Egy hajszál eltakarhatná a képet © nanotechweb.org

Az elmúlt 40 évben érvényes maradt Moore törvénye, amely szerint a mikrochipek egységnyi felületén elhelyezett tranzisztorok száma durván 18 hónaponként megduplázódik. Sőt e trend nem látszik megtörni az előttünk álló 10-15 évben sem, mígnem a szilícium alapú CMOS-technológia eléri végső határait. A jelenlegi körülbelül 40 nanométeres dimenzióban dolgozó chipgyártás lassan már a 20 nanométeres világba fog átlépni, de ennél kisebb méreteket elérni valószínűleg már gazdaságilag nem lehet rentábilis. A 10 nanométeres határ pedig a CMOS-világ fizikai határát is jelenti. Azaz új koncepciókra van szükség.

Ezek az új koncepciók és fejlesztési stratégiák új anyagok felhasználását és újfajta módon integrált új eszközökről alkotott elképzelések kidolgozását jelenti. Mindennek pedig az volna a célja, hogy fenntartható maradjon, sőt növekedjen a technológiai fejlesztés üteme, és kiterjeszthetőek legyenek a jelenlegi technológiai képességeink.

A ma csúcstechnológiája - videó

A mai legfejlettebb és széles körben alkalmazott technológia az úgynevezett többmagos processzoroké. Ezek teszik lehetővé, hogy akár otthoni számítógépeinken is nagyteljesítményű szoftvereket futassunk, s eszközeinket ne csak hagyományos számítógépként, hanem szórakoztató centrumként vagy akár intelligens házunk központi egységeként is működtethessük. A részletekről Golubeff Róbert, az Intel viszonteladói hálózatért felelős közép- és kelet-európai regionális igazgatója beszélt a hvg.hu kamerája előtt.

Az IBM zürichi kutató laboratóriumában már sikerült bemutatni, hogy egyetlen molekula átkapcsolható két jól elkülöníthető vezető állapot között, ami lehetővé teszi az adattárolást. Ezek a kísérletek azt igazolják, hogy bizonyos molekulák funkcionálisan összemérhetők azokkal az eszközökkel, amelyeket a mai félvezető technológia alkalmaz.

Heike Riel és Emanuel Lörtscher IBM-kutatók beszámolója szerint egy önálló molekula is lehet kapcsoló- és memóriaelem. Egy jól körülírt mechanikus módszerrel a kutatók képesek voltak elektromos kapcsolatot létrehozni egy önálló molekulával, s kontrolláltan visszafordítható kapcsolást létrehozni két elkülöníthető vezető állapot között. Ezzel bizonyították, hogy a molekulák a jövő memória és logikai rendszereinek építőkövei lehetnek. Egy molekula mérete nagyjából 1 nanométer (a milliméter milliomod része) körül mozog, ami újradefiniálhatja a miniatürizálás lehetőségeiről alkotott elképzeléseket, s lényegesen parányibb rendszerek létrehozását teszi lehetővé, mint a mai szilícium alapú technológia.

A molekuláris áramkörök megjelenésével logikailag nem sok fog változni, ugyanis a bekapcsolt és kikapacsolt állapotok kontrollálása teszi lehetővé a működést. Ezzel leírhatók az „0” és az „1” számok, azaz létrehozható kettes számrendszerben az adattárolás logikai alapja. Különösen jó hír, hogy a kutatóknak sikerült bizonyítani: a molekulák „bekapcsolt” vagy „kikapcsolt” állapota stabil, azaz a véletlen adatvesztésnek nincs esélye. Így a molekulákon biztonságosan le lehet futtatni az írási és olvasási ciklusokat.

A jövőbeli technológiák kidolgozásánál kritikus kérdés, hogy miképpen lesznek képesek elérni külön-külön az egyes molekulákat. Ehhez olyan kísérleteket kell lefolytatniuk, amikor valóban egyetlen önálló molekulát tudnak elkülöníteni, s vizsgálni a viselkedését. A mechanically controllable break-junction (MCJB) nevű technológia korántsem olyan talányos, mint a neve. Arról van szó ugyanis, hogy egy nagyon precízen hangolható ollószerű mechanikus műszer két egymással szemben lévő hegyére felviszik azt a speciális szerves anyagot, amelynek egy molekuláját el akarják különíteni, majd az olló százait távolítva széthúzzák az anyagot. Ez úgy nyúlik, mint a rágógumi, egyszer vékonyabbá válik, míg legvégül már csak egyetlen molekula marad középen. Csakhogy a méretek egészen parányiak. A szemben lévő elektródánk atomi méretű hegyben végződnek, s a közöttük lévő távolság is picométerekben (a nanométer ezred része) mérhető, ahol a széthúzás lépései is.

Ezzel a módszerrel el lehet érni, ahogy a speciális anyag mintegy 1,5 nanométer hosszúságú egyetlen molekulája elkülönüljön. Ez a méret körülbelül a századrésze a jelenlegi legkorszerűbb szilikon alapú CMOS ( complementary metal-oxide semiconductors – komplementer fémoxid félvezetők) építőelemeknek. A molekulát a houstoni Rice Egyetemen tervezte meg és szintetizálta James M. Tour professzor és csapata.

E technológia legnagyobb előnye abban van, hogy folytatni lehet a miniatürizálást. Mivel pedig a szóban forgó molekulák nem valamiféle véletlen során jutottak a kutatók birtokába, hanem jó előre végiggondolva hozták létre őket, így bármikor reprodukálhatók anélkül, hogy a változásoktól tartani kellene. A kutatók arra számítanak, hogy a molekulák még tartogatnak pozitív meglepetéseket, s olyan eddig ismeretlen jó tulajdonságaikat fedezik fel, amelyek a szilíciumot és a hasonló anyagokat nem jellemezik.

A nanouniverzum sok ígéretes lehetőséget kínál, ugyanis laboratóriumi kísérletek során egyes eszközök és megoldások már jól vizsgáztak, s további fejlesztésekkel ipari viszonyok között is felhasználhatókká válhatnak, mint egy új innovatív technológia építőkövei, amelyek pótolhatják a CMOS-világ termékeket.

A már említett molekuláris számítástechnika mellett, egy további igen fontos kutatási terület a nanovezetékeké, ahol 2 és 100 nanométer átmérő közötti tartományba tartozó „drótoknak” teljesen új elektromos, optikai és mágnese4s képességei vannak, mind a szemmel érzékelhető világban megszokott megfelelőiknek. Ráadásul amiatt, hogy e vezetékeknek kvázi két dimenziós a kiterjedésük egészen új funkcionalitású eszközök megtervezését teszi lehetővé. Például három dimenziós szerkezetben való chiptervek készülhetnek, amelyek az adott felületre jutó tranzisztorok számának drasztikus növekedéséhez vezethet. (Az egészet egy bonyolult térhálós szerkezetnek érdemes elképzelni, ahol azonban a háló szálai végtelenül kicsiny átmérőjűek.)

A nanovezetékekben rejlő potenciál az utóbbi években újfajta tranzisztorok diódák és lézerek kifejlesztéséhez vezetett. Sőt az első logikai elemeket (AND, XOR, NOR) is megépítették, amelyek a nanovezetékes számítógép-struktúrák alapvető építőkövei lehetnek.