Нанонауки. Невидимая революция - Лоранс Плевер

А потом мы придумали молекулу-прибор посложнее. Речь идет о молекуле, которая стала амперметром, то есть прибором, способным замерить силу тока, протекающего, для примера, через молекулярный проводок. Молекулу эту надо подключить к металлическому электроду — для каждой из двух концов молекулы, следовательно, понадобится свой электрод. Принцип таков: электрический ток протекает по главной ветви, достаточно длинной, чтобы в нее можно было вставить маленькое химическое соединение, способное вращаться, — ротор. Когда электрон проходит через молекулу, перемещаясь от электрода на одном конце молекулы к электроду второго ее конца, то внутри молекулярного проводника рассеивается некоторое, пусть очень малое, количество энергии. Этой энергии, однако, хватает на нагрев химического ротора, который под воздействием тепла поворачивается. Угол поворота удается замерить, если поместить еще один — третий — электрод сбоку от ротора. А зная угол, на который повернулся ротор, экспериментатор может оценить силу тока, протекающего через главную ветвь цепи, то есть через молекулу-провод.

У молекулы-амперметра тоже должны быть ножки или лапки — чтобы она немного приподнималась над поверхностью: ведь если амперметр «ляжет брюхом» на металлическую плоскость, то химический ротор просто не сможет поворачиваться. А еще нужны три электрода, три электрических контакта. Лучше всего было бы изготовить с атомной точностью пару металлических контактов на твердой поверхности и сбросить на них молекулу, которая замкнула бы эти контакты (третий контакт можно было бы организовать через иглу микроскопа); однако такой технологии пока нет. Ее, конечно, пытаются разработать и, понятно, раньше или позже она появится, и скорее раньше, чем позже, — хотя бы потому, что без нее невозможно создать «вычисляющую молекулу», то есть молекулу, умеющую складывать два числа или вычитать одно число из другого; впрочем, об этом — чуть позже.

Первый транзистор, изобретенный в конце 1940-х годов, убедительно показал, что твердотельный прибор способен усиливать электрический ток. Пятьдесят лет спустя труды таких первопроходцев, как Ари Авирам и Марк Ратнер, поставили вопрос о возможности такого явления, как молекулярная электроника. Ответ представлялся очевидным: если окажется, что одиночная молекула тоже может усиливать ток, есть смысл работать над созданием молекулярной электроники. Поэтому заинтересованные исследователи принялись изучать возможности молекулярных структур, которые вроде бы обещали какое-то решение возникшей задачи. В 1997 году мы с Джимом Гимжевски показали одиночную молекулу, усиливающую электрический сигнал. Это, конечно, не привело к свержению микроэлектроники с ее престола, но стало, по крайней мере для нас, заметным и значительным шагом вперед.

Собственно, мы собрали электрическую схему, в которой молекула фуллерена находится под иглой туннельного микроскопа. Мы знали, что, если слегка надавить иглой на молекулу, ее сопротивление резко снизится. Небольшое изменение одного параметра (здесь — расстояния между иглой и поверхностью) оборачивается большим изменением другого параметра (в нашем случае — сопротивления молекулы). Воспользовавшись этим эффектом, мы построили усилитель, в котором приращение напряжения на выходе в четыре раза превышает приращение напряжения на входе.

Мы думали о том, чтобы выстроить несколько таких молекул-усилителей в линейку, соединив их последовательно или параллельно, чтобы возникла настоящая электронная схема, способная, к примеру, вычислять. Жалко, но значения электрических сопротивлений, при которых молекула-усилитель оказывается работоспособной, таковы, что соединительные проводники просто не могут быть молекулами. Это значит, что соединительные провода будут макроскопическими, то есть их размеры заставят вынести все провода «за ограду», расположив их вне той площадки, которую занимает туннельный микроскоп. Мы попробовали сделать провода помельче, чтобы они поместились в ограде, но вся наша миниатюризация ни к чему не привела. Тогда, вместо того чтобы мучиться с миниатюризацией оборудования, окружающего молекулу, мы решили поменять само оружие и отказались от идеи гибридизации — не хотелось нам совмещать в одной схеме молекулярные компоненты с какими-то микроскопическими деталями. И задались вопросом: а нельзя ли так «раздуть» молекулу, чтобы она вместила в себя все необходимые сопротивления и провода, их соединяющие? И чтобы получилась полная электрическая схема. Вот как мы вступили на дорожку «монументализации».

И этот разрыв с исторической идеей гибридной молекулярной электроники вывел нас на колею, проложенную Форрестом Картером. Не то чтобы я просто и безболезненно расстался с молекулярной электроникой — как-никак, я отдал ей добрых двадцать лет жизни, начав еще в конце 1970-х. Я изучил немало меленьких молекул, которые, если их разместить на поверхности металла или полупроводника, демонстрируют самые разные ориентации (хотя значения энергии почти одинаковы). И оказываются «естественными» выключателями (прерывателями тока). В самом деле нетрудно, перемещая иглу микроскопа, переходить от одной ориентации к другой, получая, таким образом, переключатель на одиночной молекуле. Но попытка собрать из таких молекул-переключателей серьезную схему наталкивается на то же препятствие, которое мешало нашему усилителю на молекуле. Отныне главным для нас стал новый вопрос: а какова вычислительная мощность одиночной молекулы — по сравнению с аналогичным показателем цепи, объединившей мириады подобных молекул?

Мысль — или мечта — о новой молекулярной электронике, которая бы позволяла объединять все нужные функции в одной-единственной молекуле, должна была избавить ученых от предрассудка, мешавшего признать за единичной молекулой способность выступать в качестве чего-то более сложного, чем простейший прибор. Освобождение от шор расширяет поле зрения, так что, при желании, можно увидеть, что одиночной молекуле по плечу и куда более сложные обязанности. Мы убедимся, еще в этой главе, что за этим прорывом прячется иной, более глубокий, прорыв, и природа его — количественная, точнее, квантовая. Как бы то ни было, я продолжал в том же духе, хватаясь за все более громоздкие молекулы и превращая их во все более сложные установки и приборы. Пример тому — «молекула-морзянка».

КОРОМЫСЛО… ИЛИ КАЧЕЛИ?

Про азбуку Морзе и радистов, «работающих на ключе», знает всякий поклонник фильмов о Диком Западе: оператор в высокой кепке козырьком назад с бешеной скоростью выстукивает на телеграфном ключе сообщение, передающееся из здания вокзала по телеграфным проводам куда-то в синюю даль. Сам телеграфный ключ — это такое коромысло, качающееся туда-сюда: оператор давит на рукоятку этого рычага-коромысла, под которым установлена пружина, и рычаг замыкает электрические контакты, а когда давление на рукоятку ослабнет, пружина вернет рычаг в исходное положение, и контакты разомкнутся. Таким образом, возникает вереница электрических импульсов, длинных и коротких, они и передаются по проводам.

Не так давно придумали молекулу, которая годится на роль телеграфного ключа. Коромыслом служит веточка молекулы, удерживаемая в положении, параллельном поверхности. Конец этой ветви закреплен с помощью химической связи (вот вам и пружина) на молекуле с четырьмя ножками, поддерживающими саму молекулу на центральной площадке. Второй конец коромысла висит в воздухе — и, касаясь его иглой микроскопа, оператор превращается в телеграфиста позапрошлого века.