Cercetătorii au pus în slujba științei efectele cuantice pentru a controla electricitatea în cele mai mici componente din lume. Geometria primelor prototipuri de tranzistoare din lume '“ realizate în 1947/48 în cadrul laboratoarelor Bell Laboratories de către Walter Brattain, John Bardeen și William Shockley '“ măsura mai puțin de un centimetru. În zilele noastre, în microprocesoarele cele mai avansate care permit procesarea informației, dimensiunile lor fizice au fost miniaturizate de aproximativ 10.000 ori.
Microprocesor de dimensiunea unui grăunte de nisip
Se poate oare împinge și mai departe microminiaturizarea lor? Putem oare realiza un nanoprocesor care să aibă dimensiunile unui grăunte de nisip și care să transforme un Palm Pilot într-un supercomputer? Căci '“ îndată după inventarea tranzistorului '“ miniaturizarea a și devenit una din constantele industriei electronice. Celebra lege a lui Moore descrie tocmai densitatea mereu în creștere a tranzistoarelor pe centimetrul pătrat pe care industria semiconductoarelor este capabilă s-o atingă, încă de la începutul așa numitei solid state physics revolution (revoluția fizică a corpului solid). Cu toate acestea, dacă s-ar reduce respectivele dimensiuni ale celor mai mici tranzistoare actuale cu încă un factor zece, dimensiunile lor ar atinge nanometrul (10-9 m), cu alte cuvinte aproximativ dimensiunea anumitor atomi sau a unor mici molecule. O asemenea abordare ar face ca electronica să intre în domeniul nanotehnologiei, pe care anumiți specialiști o văd ca fiind o prelungire a microtehnicilor. Apare, însă, o importantă problemă: la această scară, legile fizicii clasice sunt înlocuite de legile mecanicii cuantice. Fluxul de electroni care ar circula într-un tranzistor atât de mic ar putea deveni incontrolabil.
Cu toate acestea, două articole '“ publicate în iunie 2002 în revista Nature '“ sugerează că, fără să fie disponibil pe un PC sau un portabil săptămâna viitoare, un asemenea grad de miniaturizare este nu numai posibil, ci a și fost realizat în laborator. Primul articol despre noul tranzistor de acest tip, experimentat de echipa lui Daniel Ralph de la universitatea Cornell, descrie punerea la punct a tranzistorului care nu folosește decât un singur atom de cobalt. Un al doilea articol se referă la lucrările lui Honkun Park (Harvard University) care a reușit să demonstreze realitatea unui tranzistor bazat pe modulația unui flux de electroni între doi atomi de vanadiu, conectați la doi electrozi de aur. Procesul este fiabil, repetitiv și măsurabil și reprezintă doar primii pași ai noului născut.
Era componentelor atomice
Utilizarea unei simple molecule în calitate de componentă electronică este una din direcțiile cele mai promițătoare pe care au adoptat-o nanotehnologiile în ultima vreme. Cu toate acestea, majoritatea experiențelor realizate până acum în acest domeniu au observat, în cel mai bun caz, comportarea electronică a mai multor molecule în paralel. Ideea ca un singur atom să poată servi drept întrerupător on/off între doi electrozi părea foarte îndepărtată.
Așa cum remarcă Franceshi și Leo Kouwenhoven în comentariile care întovărășesc cele două articole apărute în revista Nature, 'žstabilizarea unei molecule între doi electrozi metalici reprezintă o provocare majoră'. Mai întâi, electrozii trebuie să aibă o geometrie de numai un nanometru, în timp ce tehnologiile cele mai avansate din domeniul litografiei au '“ în cel mai bun caz '“ o rezoluție de 10 nanometri. Cele două grupuri de cercetători au utilizat, așadar, o combinație de tehnici bazate pe fascicule de electroni și electromigrare, pentru a putea atinge precizia cerută. Chiar și așa, captarea unei singure molecule rămâne un eveniment ocazional, complicat '“ în plus '“ de faptul că tehnicile susceptibile de vizualizare, care ar putea reda experiența, sunt deocamdată într-o fază incipientă. O echipă de la Bell Laboratories a reușit, în această primăvară, să pună la punct un microscop electronic care are o rezoluție atomică, dar el nu funcționează decât cu un singur material: siliciul (materialul de bază al tuturor microcircuitelor integrate, material care, însă, nu este folosit nici la Universitatea Cornell, nici la Harvard). Moleculele folosite de cele două grupuri de cercetători sunt complexe organice care conțin unul sau doi atomi de metale (cobalt și/sau vanadiu) care formează partea activă a dispozitivului. De aici încolo, principalele dificultăți întâmpinate de cercetători erau de natură cuantică.
Noi progrese în spintoică
Într-un tranzistor clasic, curentul poate trece (sau nu) între o sursă și un drain, în funcție de tensiunea aplicată electrodului de intrare. Mișcarea unui mare număr de electroni ne permite să nu ne sinchisim de comportarea anormală a unui electron individual, pentru a obține o operație bine definită. Totuși, într-un tranzistor compus dintr-o singură moleculă și în care, în orice moment, circulă doar un singur electron, statistica se schimbă. Hogkun Park explică: 'žChiar dacă, în mod efectiv, un singur electron circulă, aceasta înseamnă, totuși, 10 miliarde tranziții pe secundă. Utilizarea efectului de spin și a principiului respingerii (Coulomb) a permis să se măsoare configurația curentului ca fiind aceea de a canaliza, unul câte unul, mișcarea electronilor'.
Pornind de la aceste descoperiri fundamentale, de cât timp va fi nevoie pentru a trece la etapa următoare: construcția unei porți logice și '“ plecând de aici '“ a unui nanoprocesor? Hongkun Park ezită puțin înainte de a răspunde: 'žDacă mi-ați fi spus '“ acum cinci ani '“ că va fi posibil să se obțină un tranzistor cu un singur atom, nu v-aș fi crezut. Ori, noi progresăm mai rapid decât am prevăzut noi înșine. Cu toate acestea, nu văd nici o aplicație tehnologică mai devreme de cinci ani'. Ceea ce nu l-a împiedecat să depună cereri de brevete și să angajeze importante colaborări industriale.
