Международная группа исследователей, возглавляемая учеными из Института физики твердого тела Токийского университета, продемонстрировала, что одна молекула фуллерена (С60) способна выполнять функцию переключателя потока электронов, подобную функции, выполняемой обычным кремниевым транзистором. Переключение пути движения потоков электронов производится при помощи импульсов лазерного света с тщательно настроенными параметрами, а сам процесс переключения происходит на целых шесть порядков величины быстрее, чем это делают транзисторы, используемые даже в самых быстрых современных процессорах.
Около 70 лет назад ученые узнали, что некоторые молекулы испускают свободные электроны в присутствии электрических полей, спустя некоторое время было выяснено, что то же самое происходит при освещении этих же молекул светом с определенной длиной волны. При этом, эмиссия электронов подчиняется каким-то правилам, объяснения которых так и не было получено, несмотря на то, что данные эффекты уже не раз были использованы в практических целях.
Однако, ученые не забросили попытки найти объяснения и вникнуть глубже в физику происходящих в молекулах процессов. Одной из таких групп является группа Хирофуми Янагишава (Hirofumi Yanagisawa), которая теоретически рассчитала, как должна вести себя электронная эмиссия от возбужденных молекул фуллерена под воздействие лазерного света с различными параметрами. И когда это было проверено на практике, все оказалось в полном соответствии с теорией.
Напомним нашим читателям, что молекула фуллерена является очень близким родственником углеродной нанотрубке. Она состоит из 60 атомов углерода и имеет сферическую форму. Когда такая молекула помещается на острие металлической иглы, в ней возникают несколько разных путей, по которым могут перемещаться электроны. Импульсы лазерного света, длительностью в фемтосекунды и даже аттосекунды, вызывают эмиссию электронов, которые и движутся по упомянутым выше путям.
“Нам удалось добиться того, что мы можем контролировать путь движения электрона через молекулу при помощи очень коротких импульсов лазерного света” – рассказывает Хирофуми Янагишава, – “В зависимости от параметров импульса света электрон может двигаться в направлении по умолчанию или он может быть перенаправлен на другую известную траекторию. Это очень похоже на работу обычной железнодорожной ветки или на работу традиционного электронного транзистора, только все происходит намного быстрее”.
Более того, ученым удалось настроить параметры лазерных импульсов так, что в одной молекуле фуллерена одновременно образовывалось несколько контролируемых электронных каналов, что эквивалентно наличию нескольких независимых транзисторов в одной молекуле. Это позволит в будущем увеличить сложность и функциональность “фуллереновой электроники”, не увеличивая физических размеров устройств.
Одной из возможных областей применения данного открытия является микроскопия на основе фотоэлектронной эмиссии. В настоящее время наилучшие подобные микроскопы могут обеспечить разрешающую способность в 10 нанометров, но если использовать контролируемую лазером молекулу фуллерена в качестве активного элемента, то разрешающая способность составит уже 300 пикометров.
Наличие нескольких аналогов транзисторов в одной молекуле фуллерена, пока только в теории, позволит создать на базе таких молекул не отдельные транзисторы, а более сложные логические элементы, которые могут стать основой микропроцессоров, возможности которых на порядки превосходят возможности современных. Но пока имеется несколько препятствий, которые еще только предстоит преодолеть ученым, и главным из этих препятствий является миниатюризация лазерной управляющей системы, которая также должна располагаться на поверхности чипа. Так что еще могут пройти годы или десятилетия, прежде чем на полках магазинов появятся первые смартфоны и компьютеры с транзисторами на базе молекул фуллерена.
