Ένα μοναδικό μόριο-διακόπτης, για ελάχιστη κατανάλωση ισχύος

Από την ιστοσελίδα PhysicsWeb, 21 Φεβρουαρίου 2003

Διακόπτες φτιαγμένοι από ένα μόνο μόριο, θα μπορούσαν να ελαττώσουν πάρα πολύ την ισχύ που καταναλώνεται από ηλεκτρονικές συσκευές, σε σύγκριση με τα σημερινά ολοκληρωμένα κυκλώματα στερεάς κατάστασης. Οι Ernst Meyer, Christian Joachim και οι συνεργάτες τους στο πανεπιστήμιο της Βασιλείας, στην ΙΒΜ Ζυρίχης και στο εργαστήριο CEMES-CNRS της Toulouse, δημιούργησαν τον διακόπτη με την πιο μικρή ηλεκτρική κατανάλωση. Απαιτεί μόνον 47 zeptojoules - 47 x 10^-21 joules ή 0,3 eV για να δουλέψει, δηλαδή 10.000 φορές λιγότερη ενέργεια απ' ότι χρειάζεται στους διακόπτες με τρανζίστορς που χρησιμοποιούνται σήμερα στους γρήγορους υπολογιστές.  (C Loppacher και άλλοι 2003 Phys. Rev. Lett. 90 066107)

Η μέση ισχύς που καταναλώνεται από τους σύγχρονους επεξεργαστές, όπως ο Pentium 4, είναι περίπου 30 W. Αυτό αποτελεί ήδη ένα πρόβλημα σε μερικούς φορητούς υπολογιστές όπου η επιπλέον ισχύς που χρειάζεται για να απομακρύνουμε την μεγάλη παραγόμενη θερμότητα, ελαττώνει αρκετά τον χρόνο ζωής της μπαταρίας. 

Το μόριο της πορφυρίνης

Ο διακόπτης αυτός που κατασκευάστηκε από τους Meyer, Joachim και τους συνεργάτες τους, αποτελείται από ένα μόριο πορφυρίνης, το οποίο έχει 4 φαινυλικές απολήξεις. (βλέπε την εικόνα.) Χρησιμοποιώντας οπτικές λαβίδες, σε μια τεχνική που αποκαλούν μικροσκόπιο που ασκεί ατομικές δυνάμεις (AFM), έστρεψαν μία από τις απολήξεις από τη μια σταθερή θέση σε μια άλλη. Ο διακόπτης είναι "on" όταν η απόληξη είναι κάθετη στο κεντρικό μέρος του μορίου, και είναι "off " όταν είναι παράλληλη στο κύριο σώμα του μορίου. 

Καθώς η απόληξη περιστρέφεται, οι ερευνητές καταγράφουν την χαρακτηριστική καμπύλη δύναμη - απόσταση της συγκεκριμένης δομής. Κατ' αυτόν τον τρόπο μπορούν να διαπιστώσουν τη δύναμη και τις ενέργειες που απαιτούνται για να στραφεί ένας μεμονωμένος δεσμός άνθρακα-άνθρακα μέσα στο μόριο.

Οι επιστήμονες βρήκαν ότι η στροφή της απόληξης του φαινυλίου, απαιτεί ενέργεια μικρότερη από 100 zeptojoules (ένα  zepto=10^-24) , η οποία είναι 4 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτή που απαιτείται στα καλύτερα τρανζίστορς πεδίου. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η μέθοδός τους πλησιάζει το όριο που επιβάλλει η θερμοδυναμική στους διακόπτες. Μια μηχανή βασισμένη σε παρόμοιες μοριακές νανοσυσκευές, θα μπορούσε να λειτουργήσει με ισχύ λιγότερη από 100W. 

"Ο διακόπτης αυτός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να φτιάξουμε λογικές πύλες και αποθηκευτικά μέρη στον υπολογιστή, αλλά υπάρχουν αρκετά προβλήματα ακόμη προς επίλυση," λέει ο Christian Loppacher, ένας από τους ερευνητές της ομάδας.  "Τα επόμενα στάδια θα είναι οι ελεγχόμενες μετακινήσεις αυτών των μορίων, και μια έρευνα που αφορά κάτω από ποιες συνθήκες και σε ποια υποστρώματα, οι απολήξεις του μορίου μπορούν να συνδεθούν".