Было обнаружено, что уникальная молекула углерода обладает способностью работать одновременно как несколько высокоскоростных переключателей.
Международная команда исследователей, в том числе из Института физики твердого тела Токийского университета, сделала революционное открытие. Они успешно продемонстрировали использование одной молекулы, названной фуллереном, в качестве переключателя, похожего на транзистор. Команда достигла этого, используя точно откалиброванный лазерный импульс, который позволил им предсказуемым образом контролировать траекторию входящего электрона.
Процесс переключения, обеспечиваемый молекулами фуллерена, может быть значительно быстрее, чем переключатели, используемые в микрочипах, с увеличением скорости на три-шесть порядков, в зависимости от используемых лазерных импульсов. Использование фуллереновых коммутаторов в сети может привести к созданию компьютера с возможностями, превосходящими те, которые в настоящее время достижимы с помощью электронных транзисторов. Кроме того, они могут революционизировать микроскопические устройства для получения изображений, обеспечивая беспрецедентный уровень разрешения.
Более 70 лет назад физики обнаружили, что молекулы испускают электроны в присутствии электрических полей, а затем и определенных длин волн света. Эмиссия электронов создавала закономерности, которые вызывали любопытство, но ускользали от объяснения. Но это изменилось благодаря новому теоретическому анализу, разветвление которого может не только привести к новым высокотехнологичным приложениям, но и улучшить нашу способность тщательно исследовать сам физический мир.
Простая аналогия того, как фуллереновый переключатель работает как точка переключения железнодорожного пути. Световой импульс может изменить путь, пройденный входящим электроном, здесь представленным поездом. Кредит: 2023 Yanagisawa et al.
Исследователь проекта Хирофуми Янагисава и его команда предположили, как должно вести себя излучение электронов от возбужденных молекул фуллерена при воздействии определенных видов лазерного излучения, и при проверке своих прогнозов обнаружили, что они были правильными.
“Что нам удалось сделать здесь, так это управлять тем, как молекула направляет путь входящего электрона, используя очень короткий импульс красного лазерного излучения”, - сказал Янагисава. “В зависимости от импульса света электрон может либо оставаться на своем пути по умолчанию, либо перенаправляться предсказуемым образом. Таким образом, это немного похоже на точки переключения на железнодорожных путях или электронный транзистор, только намного быстрее. Мы думаем, что можем достичь скорости переключения в 1 миллион раз быстрее, чем у классического транзистора. И это может привести к реальной производительности в вычислениях. Но не менее важно то, что если мы сможем настроить лазер так, чтобы заставить молекулу фуллерена переключаться несколькими способами одновременно, это может быть похоже на наличие нескольких микроскопических транзисторов в одной молекуле. Это может увеличить сложность системы без увеличения ее физического размера ”.
Молекула фуллерена, лежащая в основе переключателя, связана с, возможно, чуть более известной углеродной нанотрубкой, хотя вместо трубки фуллерен представляет собой сферу атомов углерода. При размещении на металлической точке — по сути, на конце булавки — фуллерены ориентируются определенным образом, поэтому они будут направлять электроны предсказуемо. Быстрые лазерные импульсы в масштабе фемтосекунд, квадриллионных долей секунды или даже аттосекунд, квинтиллионных долей секунды фокусируются на молекулах фуллерена, вызывая эмиссию электронов. Это первый случай, когда лазерный луч использовался для управления излучением электронов из молекулы таким образом.
“Этот метод похож на способ получения изображений с помощью фотоэлектронно-эмиссионного микроскопа”, - сказал Янагисава. “Тем не менее, они могут достигать разрешения в лучшем случае около 10 нанометров, или десяти миллиардных долей метра. Наш фуллереновый переключатель усиливает это и обеспечивает разрешение около 300 пикометров, или триста триллионных метра ”.
В принципе, поскольку несколько сверхбыстрых электронных переключателей могут быть объединены в одну молекулу, потребуется всего лишь небольшая сеть фуллереновых переключателей для выполнения вычислительных задач, потенциально намного быстрее, чем обычные микрочипы. Но есть несколько препятствий, которые необходимо преодолеть, например, как миниатюризировать лазерный компонент, что было бы необходимо для создания этого нового вида интегральной схемы. Таким образом, может пройти еще много лет, прежде чем мы увидим смартфон на основе фуллеренового коммутатора.
Ссылка: “Субнанометрическая модуляция, вызванная светом, источника электронов с одной молекулой” Хирофуми Янагисава, Маркус Бон, Хиротака Китох-Нишиока, Флориан Гощин и Маттиас Ф. Клинг, 8 марта 2023 года, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.106204