Den Transistor neu erfinden

Jeden Freitagnachmittag bringt R. Stanley Williams, einer der angesehensten Vordenker auf dem Gebiet der molekularen Elektronik, in den Hewlett-Packard Labs in Palo Alto, CA, seine Gruppe von 25 Forschern zum Fachsimpeln zusammen. Einer nach dem anderen machen sie sich auf den Weg in den Konferenzraum. Williams kommt pünktlich herein, setzt sich vorne hin und lehnt sich stirnrunzelnd zurück, die Hände gefaltet. Er wurde 1995 von HP angeheuert, um die Grundlagen der Computertechnik zu überdenken, und hat das Team in diesem Raum sorgfältig ausgewählt, um genau das zu tun. Williams trägt gerne Jeans, und sein Haar reicht ihm bis zur Hälfte des Rückens, sodass er einen ersten, flüchtigen Eindruck von Ruhe und Ungezwungenheit vermittelt. Aber er lächelt anscheinend nie, und seine Leute arbeiten 19-Stunden-Tage, um seine Fristen einzuhalten. Williams wartet ein paar Minuten auf die üblichen Nachzügler, dann steht er auf. Er spricht effizient monoton.

Wir werden heute zuerst von Gun-Young hören, sagt er. Was er geleistet hat, ist großartig. Jeder hier schuldet ihm ein Mittagessen, weil seine harte Arbeit unsere Gehälter in den letzten Monaten bezahlt hat.

Boeings Flug zum Überleben

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom September 2003



auf einer Mission zum Pluto
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Gun-Young Jung, ein neuer Postdoc aus Südkorea, steht auf und beschreibt in aller Stille seine Arbeit an der Nano-Imprint-Lithographie, einem Prozess, bei dem eine physikalische Form verwendet wird, um Strukturen mit einem Durchmesser von nur sechs Nanometern auf Siliziumwafern zu erzeugen. Das ist mehr als eine Größenordnung kleiner als die feinsten Eigenschaften, die mit den heutigen fortschrittlichen photolithographischen Verfahren erreichbar sind. Manchmal bleiben die Dinge jedoch an der Form hängen. Es ist, als ob Kuchenteig an einer Pfanne klebt, sagt er. Seine Präsentation dauert etwa zehn Minuten und wird von zwei weiteren gefolgt.

Wenn man diesen Sprechern nacheinander zuhört, wird allmählich ein Gefühl für den Stil der Gruppe vermittelt. Sie genießen selbstironischen Humor und fügen ihren wissenschaftlichen Erklärungen häufige Äußerungen der Verwirrung hinzu, als ob ich es nicht weiß und es immer noch ein Rätsel ist und ich noch nachforschen muss, und selbst ich bin noch ein ziemlicher Anfänger. Und das ist trotz ihrer offensichtlichen Expertise keine falsche Bescheidenheit.

Williams’ Gruppe steht vor einer monumentalen Aufgabe: Computer zu bauen, deren Funktionalität auf der Funktionsweise von Molekülen beruht. Dies bedeutet, den Transistor neu zu erfinden. Während Silizium und andere anorganische Halbleiter schon immer die Grundbausteine ​​von Mikrochips waren, stellt sich heraus, dass organische Moleküle auch einige potenziell nützliche elektrische Eigenschaften haben können. Tatsächlich haben Forscher in den letzten Jahren gelernt, Moleküle zu synthetisieren, die als elektronische Schalter fungieren, binäre Einsen oder Nullen im Speicher halten oder an logischen Operationen teilnehmen. Und Moleküle haben einen wesentlichen Vorteil: Sie sind wirklich klein.

Solche Arbeiten sind entscheidend für die Zukunft des Computings, denn die konventionelle Chipherstellungstechnologie befindet sich auf Kollisionskurs mit der Wirtschaftlichkeit. Die besten Computerchips von heute haben Siliziummerkmale von nur 90 Nanometern. Aber je kleiner die Funktionen, desto teurer ist die optische Ausrüstung, die zu ihrer Herstellung benötigt wird. Der Bau einer hochmodernen Fabrik zur Herstellung von Silizium-Mikrochips kostet jetzt etwa 3 Milliarden US-Dollar. Ein Chip, bei dem Siliziumtransistoren durch molekulare Bauelemente ersetzt werden, könnte dagegen im Prinzip durch einen einfachen chemischen Prozess hergestellt werden, der so kostengünstig ist wie die Herstellung eines fotografischen Films. Eine Schaltung mit 10 Milliarden Schaltern könnte schließlich auf ein Salzkorn passen; das ist die tausendfache Dichte der Transistoren in den besten Computern von heute. Ein Computer, der aus solchen Schaltkreisen aufgebaut ist, könnte in Sekunden Milliarden von Dokumenten oder Tausende von Stunden Videomaterial durchsuchen, hochgenaue Simulationen und Vorhersagen von Wetter und anderen physikalischen Phänomenen durchführen und die menschliche Intelligenz viel besser imitieren, vielleicht sogar mit uns kommunizieren natürliche Konversation.

Aber egal wie verlockend die Theorie ist, es ist spekulative Forschung am Himmel, und Investitionen in molekulare Elektronik sind ein Wagnis, das nur wenige Unternehmen eingehen wollten. Das Vertrauen von HP in Williams ist ein wichtiger Grund, warum es eine der Ausnahmen ist, sagt Shane Robison, Executive Vice President und Chief Strategy and Technology Officer des Unternehmens. Neben seiner Fähigkeit, ein erstklassiges Team aus interdisziplinären Experten zusammenzustellen und der Betonung darauf, wie Wissenschaft und Technologie in reale Produkte umgesetzt werden können, ist Stans beste Qualität wahrscheinlich sein ewiger Optimismus, sagt Robison. Natürlich locken auch immense Gewinne, sollte Williams' Technologie jemals konventionelle Siliziumchips verdrängen. Derart ehrgeizige Projekte sind immer eine weit hergeholte Weite, aber wir würden es nicht tun, wenn wir nicht dachten, dass es eine gute Chance auf Erfolg gibt, sagt Robison.

Natürlich hat das Unternehmen seine Wette durch eine vorsichtige Finanzierung abgesichert. Williams’ Gruppe erhält einen vierjährigen Zuschuss in Höhe von 12,5 Millionen US-Dollar von der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), und HP stellt passende Mittel bereit, aber etwa die Hälfte der DARPA-Finanzierung geht an universitäre Forschungspartner. Im Labor gibt es überall Sparspuren, von knappen Vorräten in der Kaffeestube bis hin zu von Geschworenen manipulierten Geräten. Dennoch gelang der Gruppe ein Durchbruch nach dem anderen – vor allem durch den Nachweis, dass ein in der konventionellen Elektronik einst übliches Crossbar-Design auf molekularer Ebene wiederbelebt werden kann. In einer Demonstration im letzten Jahr fing die Gruppe Moleküle in den Verbindungen zwischen Titan- und Platin-Nanodrähten ein, die in einem Acht-mal-Acht-Raster von einem Mikrometer-Quadrat angeordnet waren, und zeigte, dass die Moleküle an bestimmten Verbindungen ein- und ausgeschaltet werden können-a erster Schritt beim Aufbau eines Arbeitsspeichers oder Logikbausteins.

Blind arbeiten

Verbringen Sie einige Zeit in Williams' Labor und Sie beginnen zu verstehen, warum vieles über molekulare Elektronik immer noch ein Rätsel ist, beginnend mit der relativ einfachen Frage, was genau die Forscher bauen. Yong Chen, gebürtiger Chinese und seit 1998 Mitglied von Williams’ Gruppe, verbringt viel Zeit in einem stickigen, fensterlosen, neun Quadratmeter großen, mit dickem Schaumstoff ausgepolsterten Raum. Es ist die Heimat eines filigranen Elektronenmikroskops, das mit Elektronenstrahlen ein grobes Bild von den Strukturen erstellt, die Chen im Labor am Ende des Flurs erstellt.

Chen ist der Leiter des Teams, das der Gruppe ihren bisher größten öffentlichen Erfolg beschert hat, den 64-Bit-Crossbar-Speicher. Sein Team prägte zunächst acht parallele Nanodrähte aus Titan und Platin auf ein Siliziumsubstrat und bedeckte diese Drähte mit einer ein Molekül dicken Schicht einer synthetischen Chemikalie namens Rotaxan. Dann legten sie einen zweiten Satz Titandrähte senkrecht zum ersten ab, wodurch die Möglichkeit einer elektrischen Verbindung zwischen den Drähten an jeder Verbindungsstelle im Gitter geschaffen wurde.

Jedes Rotaxan-Molekül – das vom Chemiker Fraser Stoddart an der University of California in Los Angeles erfunden wurde – besteht aus einer langen Achse mit zwei Atomklumpen an jedem Ende und einem Ring von Atomen, der die Achse umkreist. Die Gruppen von Stoddart und Williams gehen davon aus, dass beim Anlegen einer Spannung durch ein bestimmtes, sich kreuzendes Paar von Nanodrähten die Ringe der Rotaxanmoleküle zwischen den Drähten von einem Ende der Achse zum anderen springen und dort bleiben, bis eine weitere Spannung angelegt wird. Dies könnte den Widerstand der Moleküle gegenüber elektrischem Strom erhöhen oder verringern, und diese beiden Leitfähigkeitszustände würden digitale Einsen oder Nullen darstellen. Jetzt versucht Chen, gespannt, wie klein er ein solches Gerät bauen kann, die einzelnen Drähte noch enger zusammenzudrucken. Es ist mühsame Arbeit, bei der Sie nie wissen, ob Sie Fortschritte machen, bis es funktioniert.

Heute ist Chen mit offenem Mund, versunken, konzentriert sich auf den Monitor vor ihm und versucht gleichzeitig, ein Gespräch zu führen. Er ist nicht ganz erfolgreich. Mehrere Minuten vergehen leise, während eine Frage unbeantwortet in der Luft hängt. Er erhöht die Vergrößerung des Mikroskops, während er eine Reihe von verschwommenen Grau-in-Grau-Bildern durchsucht, die wie Satellitenfotos einer Wüste aussehen.

Nachdem wir den Herstellungsprozess abgeschlossen haben, kommen wir hierher, um zu überprüfen, was wir für etwas haben, sagt er. Ich möchte sehen, ob der Draht mit dem Substrat geerdet oder darüber aufgehängt ist. Es gibt einen. Ups, ich habe es verloren.

DNA-Testkit für Abstammung

Schließlich findet er etwas, das wie ein Stück Bewehrungsstahl auf einem Haufen Holzkohlestaub aussieht, aber in Wirklichkeit ein Draht von 35 Nanometer Breite ist, der auf der Siliziumbasis ruht. Er nimmt ein Bild auf, wieder stumm und hält den Atem an, da Schallwellen die Qualität des Bildes beeinträchtigen.

Wir können jetzt reden, sagt er. Hier können Sie tatsächlich sehen, dass dieser Draht gebrochen ist. Schade. Das ist ehrlich gesagt ein Routineexperiment. Chens Ziel ist es, eine Kombination von Materialien zu finden - ein Rezept, wenn Sie so wollen -, die der Form, die die Drähte auf dem Substrat ablagert, eine Teflon-ähnliche Nichtklebrigkeit verleiht; andernfalls wölben sie sich und verdrehen sich, wenn die Form entfernt wird. Aber wenn Sie in diesem gedämpften, schaumstoffbedeckten Raum sitzen und einem der führenden Wissenschaftler auf diesem Gebiet beim Durchsuchen körniger Bilder zusehen, erkennen Sie, wie schwierig es ist, in dieser Größenordnung zu arbeiten. Drei Wochen später, nach fünf Monaten akribischer Experimente und Beobachtungen, finden Chen und Gun-Young Jung das gesuchte Ergebnis und bringen die Möglichkeit molekularer Schaltkreise einen kleinen Schritt näher.

Ich habe einiges falsch eingeschätzt, sagt Chen schlicht.

Jetzt kann er zum nächsten Problem übergehen.

Orte wechseln

Die Beobachtung von Ergebnissen ist natürlich der letzte Schritt in einer Reihe von Ereignissen, die traditionell mit einer Theorie über das Verhalten der Dinge beginnt. Bei der molekularen Elektronik ist jedoch nur sehr wenig von der Theorie zum Experiment geradlinig verlaufen. Theorien können jahrelang dahinsiechen, auf Werkzeuge zu warten, die präzise genug sind, um sie zu testen. Tatsächlich schlugen Chemiker Mitte der 1970er Jahre erstmals die Idee der molekularen Elektronik vor, aber es sollten weitere 20 Jahre vergehen, bis irgendjemand damit beginnen konnte, sie in die Praxis umzusetzen. In letzter Zeit haben experimentelle Ergebnisse jedoch begonnen, die Fähigkeit der Theoretiker, sie zu erklären, zu übertreffen.

Ein Rätsel ist der Mangel an Konsistenz bei der Messung experimenteller Ergebnisse, von Labor zu Labor und sogar von Experiment zu Experiment. Alex Bratkovsky, theoretischer Physiker und gebürtiger Moskauer, der 1996 zu HP kam, sagte, er habe als einer der ersten erkannt, dass die Orientierung eines Moleküls zwischen Metallelektroden entscheidend für das Verständnis seiner Schalteigenschaften ist. Der Strom hängt enorm davon ab, wie sich das Molekül mit dem Substrat verbindet, sagt Bratkovsky. Je nach Position des Moleküls kann das Signal verschwinden und dann wieder zurückkehren. Diese Tatsache haben wir lange Zeit außer Acht gelassen. Da die Kontrolle der Orientierung des Moleküls immer noch jenseits der aktuellen experimentellen Werkzeuge liegt, variieren die Ergebnisse von Labor zu Labor stark, und Wissenschaftler müssen in vielen Fällen beurteilen, ob Unterschiede zwischen ihren Ergebnissen eine echte Bedeutung haben oder durch Effekte erklärt werden können, die sich noch außerhalb der experimentellen Kontrolle befinden.

Um das Schaltphänomen zu verstehen, untersuchen die HP-Forscher eine Reihe neuer Moleküle, die sich möglicherweise leichter kontrollieren lassen als Rotaxan, sagt Bratkovsky. Einige davon werden bereits entworfen, aber es geht nur langsam voran. Es kann mehr als zwei Jahre dauern, ein Molekül zu entwerfen, zu simulieren, zu synthetisieren und schließlich auf seine elektronischen Eigenschaften zu testen – danach können Forscher wieder von vorne beginnen.

Auf der anderen Seite des Flurs von Bratkovsky verbrachte Duncan Stewart, ein kürzlich von Williams' Labor eingestellter Experimentalphysiker, mehr als sechs Monate mit einem konträren Experiment, um zu untersuchen, warum einige Moleküle als molekulare Schalter fungieren können und ihre Leitfähigkeit als Reaktion auf eine angelegte Spannung ändern. Anstelle von Designermolekülen wie Rotaxan verwendet Stewart ein einfaches Kohlenwasserstoffmolekül, das aus einer Kette von 18 Kohlenstoffen besteht, die von Wasserstoffatomen umgeben sind. Stewart nennt es die Plain Jane der molekularen Welt. Es ist stabil, inert und sollte theoretisch keine interessanten elektronischen Eigenschaften haben. Aber es hat trotzdem gewechselt.

Ich habe haufenweise Daten, und die Geschichte ist, dass die Daten in kein Modell oder eine bestehende Theorie passen. Wir verstehen also selbst im einfachsten Fall nicht, wie sich Elektronen durch ein Molekül bewegen, sagt er. Manchmal ist es extrem frustrierend. Man muss sehr dickköpfig sein, sechs Monate lang mit dem Kopf gegen eine Wand schlagen, und irgendwann bewegt sich ein einzelner Ziegelstein, und irgendwann bröckelt die ganze Wand und Sie sehen eine andere Wand.

Der Staub in der Maschine

Wenn die von diesen Forschern untersuchten Materialien verwirrend und unvorhersehbar erscheinen, sind es noch mehr die von ihnen verwendeten Maschinen. Fortschritte in der molekularen Elektronik sind oft unvorhersehbaren Störungen in der experimentellen Ausrüstung ausgesetzt. Dies ist schließlich Laborwissenschaft und keine Ingenieurskunst.

Tan Ha, gebürtiger Vietnamer, ist für die Ausrüstung im Reinraum des Labors verantwortlich. Zwei- bis dreimal am Tag zieht er einen Reinraumanzug an und geht in den Raum, um Geräte für die oft ersten Experimente zu testen, einzustellen und zu modifizieren. Wir kleiden uns ein. Jetzt sind wir bereit für die chemische Kriegsführung, sagt er. Die Maske über seinem Gesicht macht es schwer zu beurteilen, ob er scherzt.

Sobald wir drinnen sind, machen wir uns auf den Weg zu einer Maschine, die als Reaktor für die chemische Gasphasenabscheidung bezeichnet wird. Es sieht aus wie ein großer Stahlzylinder auf der Seite, der von Glas umgeben ist. Ich habe eine besondere Beziehung zu dieser Maschine, sagt er und berührt das Glas mit einer behandschuhten Hand.

Dieser Reaktortyp ist Standard in Halbleiterfabriken, aber Ha hat die Maschine modifiziert, um die ultrapräzisen Experimente durchzuführen, die von Ted Kamins, einem Mitglied von Williams' Gruppe seit 1995, gefordert wurden. Kamins arbeitet seit Jahren an dem ultimativen Traum der Nanoforschung: der Herstellung von Geräte wachsen in gewünschte Strukturen, anstatt sie Stück für Stück aufzubauen. Sein Ziel ist es, als Alternative zur Nano-Imprint-Lithographie die für die molekulare Elektronik benötigten Nanodrähte zu züchten. Bisher hat Kamins Drähte mit einem Durchmesser von nur 10 Nanometern synthetisiert, indem Nanopartikel aus verschiedenen Materialien im Abscheidungsreaktor einem Gasgemisch ausgesetzt wurden. Bei der anschließenden Reaktion wachsen um die Partikel lange Siliziumketten auf, die unter dem Elektronenmikroskop wie ein Nadelwald aussehen.

Die für die molekulare Elektronik erforderlichen Drähte wachsen zu lassen, ist aufregend, aber Kamins' spezielle Experimente fanden fast nicht statt. Ha erzählt mir, dass er über ein Jahr seines Lebens damit verbracht hat, die Maschine zum Laufen zu bringen. Jedes Mal, wenn wir ein Experiment durchführten, würde eine Kontamination den Prozess zerstören, sagt er. Es war nicht so, dass die Maschine kaputt war; es war nur so, dass noch nie jemand die Experimente hatte durchführen müssen, die Kamins machen wollte. Es muss für mich eine spirituelle Agenda sein, sagt Ha. Ted war frustriert. Ich auch. Ich würde den ganzen Tag hier auf den Knien sein und die Dinge Schraube für Schraube ändern. Ich ging nachts ins Bett, schloss meine Augen und sah das Wasserleitungsdiagramm auf meinen Augenlidern. Es stellte sich heraus, dass es ein Problem mit der Abgasanlage war. Ich ging nach Hause und sagte meiner Frau: Das war's; Ich bin ein ausgewiesener Anlagenbauer.“ So glücklich war ich.

Einen Gewinner auswählen

Sehr zu seiner Enttäuschung bat Williams ihn, seine Ergebnisse mit dem Kohlenwasserstoffmolekül nach sechs Monaten zu veröffentlichen und sich auf andere Arbeiten zu konzentrieren. Williams ermutigte Ha jedoch, ein Jahr lang auf den Knien zu arbeiten und von Rohrleitungsdiagrammen zu träumen, für Experimente, von denen Williams schätzt, dass sie mindestens sechs Jahre vor der Verwirklichung stehen und möglicherweise nie zu einem praktischen Ergebnis führen. Wie entscheidet er in einem Meer konkurrierender Theorien und Möglichkeiten und angesichts des Budgetdrucks, über den er sich regelmäßig beklagt?

ist politicususa gefälschte Nachrichten

Es ist eine Frage der Erfahrung, sagt Williams. Ich bin in meiner Karriere oft in viele Sackgassen gegangen. Sie sind so verlockend. Sie können sich auf diese Dinge einlassen und denken, okay, nur noch einen Schritt, nur noch einen Schritt. Andere Dinge fühlen sich an, als ob sie in die richtige Richtung gehen, und ich kann sehen, wohin wir gehen. Mit anderen Worten, er hat gelernt, seiner Intuition zu vertrauen, denn sie ist alles, was er hat. Ich habe den Zyklus schon oft durchgemacht.

Williams' längstes Engagement für eine Idee in der molekularen Elektronik gilt der Crossbar-Architektur. Aber er gibt zu, dass selbst diese Idee eine Sackgasse sein könnte. Wird es zum Beispiel jemals möglich sein, Moleküle an der Verbindungsstelle zweier Drähte sauber einzufangen, ohne sich auf ihre Orientierung zu verlassen? Dann gibt es das praktische Problem der Verstärkung oder der Umwandlung eines schwachen elektrischen Eingangs in einen starken Ausgang; Dies ist eine kritische Fähigkeit, die sowohl für die Durchführung logischer Operationen als auch für die Verstärkung der winzigen Ströme, die die molekularen Schalter passieren, benötigt wird, damit herkömmliche Siliziumsysteme sie erkennen können. Und es ist ein Problem ohne demonstrierte Lösung.

Stan ist ein kluger Kerl, Gott segne ihn, und wenn jemand diese Dinge lösen kann, wird es sein Team sein, sagt James Tour, ein Chemiker der Rice University, der an einem konkurrierenden Ansatz für molekulares Computing arbeitet. Aber er hat ein schwieriges Problem. An jedem Kreuzungspunkt müssen die Moleküle stabil sein. Dann müssen sie sich mit allen herauskommenden Drähten verbinden. Das ist mit enormen Kosten verbunden. Sie müssen einen steilen Hügel erklimmen.

Es ist durchaus möglich, dass wir uns irren, gibt Williams zu. Dann schüttelt er den Kopf und hört für einen kurzen Moment auf, bescheiden zu sein.

Ich glaube nicht, sagt er. Ich denke, wir haben den Gewinner ausgewählt, etwas, das es ermöglicht, dieses Ding, das wir Moores Gesetz nennen, weitere 50 Jahre fortzusetzen. Früher dachte ich, es sei unmöglich. Heute halte ich es für unausweichlich.

Alternativen zu Silizium
Technologie
Rechenelemente Führende Institutionen
DNA-Computing DNA- und RNA-Stränge in Lösung Universität Süd
Kalifornien, Weizmann
Institut für Wissenschaft
Molekulare elektronische Geräte Moleküle wie Rotaxan Universität Hewlett-Packard, Yale
Nanozellen In zufälligen Anordnungen abgeschiedene Goldnanopartikel Reis Universität
Elektronische Nanoröhren-Komponenten Kohlenstoffnanoröhren, die als Transistoren, Speicher und Drähte fungieren IBM, Harvard University, NASA
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Quanten-Computing Quanteneigenschaften von Elektronen und Molekülen MIT, IBM, Hewlett-Packard, National
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