Нанонауки. Невидимая революция - Лоранс Плевер

Итак, столетием спустя после того, как Максвелл изобрел своего демона, Авирам и Ратнер описали молекулу, которая способна делать то же, что и максвелловский демон, но без всякой бесовщины. Такая молекула — сама по себе прибор. Сверхминиатюризованный. И ведет себя как демон Максвелла: в самом деле, молекула, как и чертик, сортирует частицы, но только не молекулы, а электроны, пропуская их лишь в одном направлении. Более того, эта молекула не смешивается с миллиардами миллиардов других молекул, потому что она может выполнять свое задание, а они — нет. Мысль о превращении одной, непохожей на другие, молекулы в электронный прибор ознаменовала рождение молекулярной электроники. Вот только тут возникла одна непростая задача: как к этой молекуле подсоединить макроскопические электрические провода?

КАК ПОДКЛЮЧИТЬ МОЛЕКУЛУ?

В середине 1980-х годов способов пропустить электрический ток через одну-единственную молекулу не существовало. И Авирам с Ратнером никак не могли доказать, что их молекула умеет выпрямлять ток. От них все только отмахивались: уж очень мала молекула, да и как к ней подвести провода? Других молекулярная электроника просто не интересовала: а зачем все это? Микроминиатюризация и без того движется вперед на всех парах. Мало-помалу сама идея молекулярной электроники выдыхалась.

В 1985 году, будучи молодым ученым, каковым я мог себя считать, поскольку уже написал диссертацию, я пришел к директору находящейся в Тулузе лаборатории оптики Национального научно-исследовательского центра (CNRS), чтобы ознакомить его с решением задачи подключения, которое долго вынашивалось в моей голове. Мысль — проще некуда: сфокусировать пучок электронов электронного микроскопа на одной молекуле — а вдруг эта молекула пропустит несколько электронов? А потом их — эти проскользнувшие через молекулу электроны — попытаться собрать на электроде, подсоединенном к другому концу той же молекулы. Идея была очень уж наивная, и директор на пальцах растолковал мне, что молекула сразу же сгорит в высокоэнергетическом электронном пучке, так и не успев впустить в себя хоть парочку электронов.

Сам Авирам вел долгие разговоры по тому же поводу со знатоками электронной литографии из IBM. Он домогался от них ответа на такой вопрос: раз уж мы дожили до того, что методами электронной литографии удается формировать на поверхности кремния металлические проводки размером порядка 20 нм, то нельзя ли расщепить такой проводок, чтобы вставить в расщелину парочку-другую молекул? Специалисты, увы, его разочаровали: и проводок не разрезать — нечем и никак, а если бы это даже и удалось, то как добиться такой точности, которая нужна, чтобы щель получилась молекуле по размеру? Чтобы ей в щели было не тесно, но и не слишком просторно?

А между тем появилась совсем новая техника — туннельный микроскоп, изобретение европейских сотрудников IBM, которые работали в Цюрихе. Из Швейцарии новинка попала в другие исследовательские лаборатории IBM и даже в некоторые университетские лаборатории. В 1983 году туннельным микроскопом обзавелась и та лаборатория, в которой трудился Ари Авирам. Физики сразу же приспособили новый прибор к изучению полупроводниковых поверхностей: атомное разрешение (на изображении были различимы детали величиной с атом) позволяло не только лучше увидеть и понять структуру полупроводника, но и заметить ее дефекты. Авирама же эта задача оставила равнодушным — он возился с синтезом очередной новой молекулы.

А потом его осенило, как поменять форму молекулы таким образом, чтобы она работала выключателем — прерывателем электрического тока. Идея была такая: посадить молекулу на точку спайки, соединяющей два металлических электрода, а затем создать вокруг этой молекулы электрическое поле, которое заставит два атома водорода переместиться вдоль нее. Этот перенос атомов изменит ее электронную структуру, то есть распределение электронов внутри молекулы, и соответственно ее электропроводимость. Поскольку молекула теперь куда лучше проводит ток, чем в прежнем виде, то и ток во внешней электрической цепи должен увеличиться. А если гонять атомы водорода то в одну сторону, то в другую, молекула станет прерывателем электрического тока.

Но молекула-выключатель оставалась слишком уж крошечной, чтобы Авираму удалось убедить своих товарищей из IBM в том, что из его хлопот когда-то выйдет что-то путное, практичное.

Прошло время, и Авирам как-то все-таки обратил внимание на туннельный микроскоп, который уже три года работал в его лаборатории. Ари очень заинтересовала игла этого прибора — надо же, такая тонкая, кончик острия — всего несколько атомов! Вот он, тот самый ультраминиатюризованный электрод для подключения к одной-единственной молекуле, решил Авирам, и поспешил сплотить вокруг себя команду исследователей, сосредоточенных на одной цели: установить контакт между иглой и молекулой. Начали мы с подложки из золота. Потом рассыпали на золотой поверхности молекулы-выключатели, синтезированные Авирамом. Такая поверхность должна быть совершенно ровной, иначе любой заусенец можно принять за молекулу — нашу молекулу. Дело оказалось весьма непростым: иголка дергалась и из-за этого не задерживалась возле молекулы даже на секунду. Времени явно не хватало: даже если электроны и переберутся с иглы на молекулу, электронные схемы, управляющие туннельным микроскопом, просто не успеют засечь сигнал. Тогда мы перенастроили электронику микроскопа на самые скоротечные сигналы. И вспомнили все молитвы и все суеверия: надежда на успех, несмотря ни на что, жила в наших сердцах.

На этот раз и дрейф иглы удалось уменьшить — как бы то ни было, ее кончик продержался над молекулой достаточно долго, чтобы мы успели замерить ее электрические характеристики! Увы, ничего особенного мы не обнаружили — молекула как молекула, а мы-то хотели, чтобы она работала как выключатель. Мы принялись вновь и вновь подводить к ней иглу, менять расположение молекул, но ток не менялся — во всяком случае, совсем не так сильно, как его меняет любой выключатель, даже плохой. Наконец, после самой кропотливой подготовки иглы и медленного повышения напряженности электрического поля между иглой и поверхностью подложки, сила тока вдруг резко возросла! Ток пошел! Выключатель замкнулся. Итак, мы сумели пропустить электрический ток через наш молекулярный выключатель.

Но счастье оказалось мимолетным. То, что мы приняли за замыкание нашего молекулярного прерывателя, было на самом деле атомным коротким замыканием! Понадобилось еще десять лет освоения навыков работы с туннельным микроскопом, да и совершенствования самого микроскопа, чтобы научиться устанавливать электрический контакт между его иглой и одиночной молекулой. Пока что по-иному подключаться к молекуле не получается. И все же в том, хоть и не совсем удачном, опыте мы показали, что туннельный микроскоп может соединить несколько атомов в электрическую цепь. Наш эксперимент вводил молекулярную электронику в эру нанотехнологии и повышал интерес к этой области исследований.

ЧЕЛОВЕК ТРОГАЕТ АТОМ. И ПЕРЕДВИГАЕТ ЕГО!

Столько ученых так долго не верили в возможность подключения одной, и единственной, молекулы! Иначе говоря, они сомневались в том, что можно наладить обмен электронами с молекулой, обосновывая свои сомнения квантовыми свойствами электронов. Электроны подчиняются квантовым законам, следовательно, поведение электронов хоть внутри молекулы, хоть где еще, заведомо случайно (вероятностно). А можно ли управлять случаем? Так что все разговоры об управлении электронами — пустая трата времени. Выходило так, что отцы квантовой механики зло подшутили над экспериментаторами. В самом деле, физические свойства атома, по Шрёдингеру, квантовые, значит, никак нельзя установить местоположение или локализовать волну, ассоциируемую с этим атомом. То есть манипулировать им так, как если бы он был просто частицей твердого тела, невозможно.