探索纳米电子学的前沿

康乃尔大学的两组研究人员在美国国防部合同的资助下，正在进行一项以探索新一代分子级与纳米级电子技术为目的研究工作。这两个项目的目的，是对制造一些最终可以极大提高数据存储能力及处理速度的新器件的可能性进行调研。材料科学与工程副教授George Malliara，从美国国防部中央研发组织DARPA获得了一个价值40万美元、为期四年的合同，对材料进行分子级上的研究。他所进行的弄清如何使分子象开关一样工作的研究课题，是一个更大型的多学科DARPA计划的一部分，目的是验证制造实用分子电子装置的可行性。参加多学科DARPA计划的还有Naval研究实验室、空军研究实验室，北德克萨斯大学及Scripps研究所。据Malliaras所说，DARPA计划的目的是研制分子电子装置，这种装置将超越目前正在使用的、把电路上的晶体管增加到数以亿计的硅集成电路技术。一个现行在用的最密集的电路——奔2处理器上，就有750万个晶体管。Malliaras的这个项目，是研究单个分子的电学特性。为此，他将制造一个在两个金属电极之间含有很少量分子的试验结构。测量工作将在一个配备有低温箱及电特征设备的、最小量度为400aA （ato-Amperes)的探测站上进行。1aA相当于一秒内有大约5个电子流过分子。低温箱可以使分子的温度保持在4开。Malliaras说，通过这些测量，“我们可以期望外推到一个分子的情况”。这个实验将通过与新墨西哥大学David Dunlap的合作，而得到理论方面的补充。理论上讲，分子电子学研究可能导致制造一种电路，其中一个系统的每一个元件，如晶体管、二极管及导体，都可以用一个个单独的分子来代替。Malliaras说，这种分子微芯片只需最小电量就可以提供大大提高的计算速度及非常大的存储能力，这将会使那种可以存储几百万张照片的相机或具备台式微机计算能力的手表之类的应用成为可能。但是Malliaras认为，分子电子学还有很长的路要走，可能需要用十年或更多的时间进行研制。在纳米级上（1纳米是1米的十亿分之一，相当于3个硅原子的直径），康乃尔大学应用与工程物理学教授Robert Buhrman、物理学副教授Dan Ralph，及四位其它大学的同事，在美国军队多学科大学研究倡议（MURI）计划的资助下，一起研究和利用电子自旋特性。电子自旋特性可以通过测量依赖于磁场的电子纳米结构运输特性进行研究。这个价值将近3百万美元的合同，将为康乃尔大学的Buhrman和Ralph、加利弗尼亚圣巴巴拉大学的David Awschalom、Iowa大学的Michael Flatte，加利弗尼亚技术所的Michael Roukes，位于Urbana-Champaign的Illinois大学的Ali Yazdani的研究工作提供经费。Buhrman说，研究自旋控制及自旋影响的核心，是希望将来用波效应和自旋代替电荷或与电荷一起，来保持和处理所存储的信息，这种技术叫量子控制（quantum manipulation）。自旋有两种状态，是电子本身固有的一种性质，是电子角动量的一部分。在某种程度上讲，MURI合同最初起源于Buhrman 和Ralph所验证的一种在10到100纳米宽的装置磁性材料上写入信息的新方法。Buhrman说，“这项研究的基本思想，是开发一些技术用来测量依赖于电子自旋的电子固态系统现象，研究如何控制这些现象，然后利用基于自旋的效应，找出控制、存储和处理信息的方法。”他说：“磁性与自旋有可能使集成在硅芯片上的磁存储器，取代硅存储器。除此之外，磁性与自旋现象有可能实施量子计算。而量子计算又是一个极其广泛而具有挑战性的计划”。（编译 曹秀云 校对 杜元清）