Nanochips der Zukunft: Schaltkreise aus Farbstoffmolekülen

Computerchips könnten in Zukunft aus winzigen Schaltkreisen mit je nur einem einzigen Molekül bestehen. Ein Vielfaches der Rechenleistung wäre damit bei gleicher Größe möglich. Schweizer Forscher berichten nun über die kontrollierte, elektrische Schaltung der Leitfähigkeit eines einzigen, organischen Farbstoffmoleküls.

Molekülschalter
Molekülschalter

Rüschlikon (Schweiz)/Almaden (USA) - Für diesen Schritt für Prozessoren jenseits der Siliziumära wählten Peter Liljeroth, Jascha Repp und Gerhard Meyer vom IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich ein Naphthalocyanin. "Diese Klasse von Molekülen kann als Basisbaustein für komplexere molekulare Module wie zum Beispiel logische Schaltkreise genutzt werden", schreiben die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Nature". Mehrere Voraussetzungen dafür konnten sie mit ihrem Labormuster erfüllen: Der Schaltprozess ist streng lokalisiert, umkehrbar und verursacht keine störende Formänderung des Moleküls.

Meyer und Kollegen deponierten dazu ein Naphthalpcyanin-Molekül auf einer isolierenden Schicht aus Kochsalz, Rubidiumiodid oder Xenon, die auf einem Träger aus einkristallinem Kupfer aufgebracht wurde. Bei tiefkalten Temperaturen von etwa minus 268 Grad Celsius näherten sie sich diesem Aufbau mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Für den Schaltprozess variierten sie die Spannungsdifferenz zwischen der STM-Spitze und der leitfähigen Kupferunterlage. Dabei werden Elektronen über einen Tunnelprozess in das Molekül injiziert. Die Folge ist eine Umlagerung von je zwei Wasserstoffatomen inmitten des Naphthalpcyanin-Moleküls. Äußerlich ist diesem Molekül keine Änderung ansehbar.

Diese so genannte Tautomerisation führt zu einer Veränderung der Leitfähigkeit des Moleküls , die als Änderung einer Stromstärke zwischen etwa 1,5 und knapp 2,5 Picoampere gemessen werden kann. Im Prinzip lässt sich dieser Unterschied für eine Unterscheidung zwischen den digitalen Basiswerten "0" und "1" nutzen. Mit bis zu 75.000 Schaltprozessen konnten die Forscher auch die Umkehrbarkeit dieser Umlagerung von Wasserstoffatomen belegen.

Bis zu einem rechnenden Chip auf der Basis einzelner Moleküle ist es trotz dieses Erfolgs noch ein sehr langer Weg. So müssten Moleküle in großer Anzahl auf einer Oberfläche deponiert werden, die auch bei Raumtemperatur dieses Schaltverhalten zeigen. Die nächste Herausforderung ist es, aus den einzelnen schaltenden Molekülen komplexere, logische Schaltkreise aufzubauen.

Parallel zu diesem Molekülschalter entwickelten Forscher vom IBM-Labor im amerikanischen Almaden den entsprechenden Datenspeicher. Ebenfalls mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops kontrollierten sie den magnetischen Spin einzelner Eisen- und Manganatome. Über diese Schaltvorgänge sind prinzipiell Datenspeicher mit einer bis zu 1000-fach höheren Dichte als heute möglich. Ein entsprechender Massenspeicher, beispielsweise eingebaut in einem IPod, könnte sich alle Videos von "YouTube" oder 30.000 Spielfilme merken.