De transistor opnieuw uitvinden

Elke vrijdagmiddag in Hewlett-Packard Labs in Palo Alto, CA, roept R. Stanley Williams, een van de meest gerespecteerde denkers op het gebied van moleculaire elektronica, zijn groep van 25 onderzoekswetenschappers bij elkaar om te praten. Een voor een gaan ze naar de vergaderruimte. Williams komt precies op tijd binnen, gaat vooraan zitten en leunt fronsend met zijn handen ineen. Hij werd in 1995 door HP ingehuurd om de basisprincipes van computergebruik te heroverwegen en heeft het team in deze kamer uitgekozen om precies dat te doen. Williams draagt ​​graag spijkerbroeken en zijn haar reikt tot halverwege zijn rug, dus hij geeft een eerste, vluchtige indruk van rust en informaliteit. Maar blijkbaar lacht hij nooit, en zijn mensen werken dagen van 19 uur om zijn deadlines te halen. Williams wacht een paar minuten op de gebruikelijke laatkomers en staat dan op. Hij spreekt in een efficiënte monotoon.

We gaan vandaag eerst van Gun-Young horen, zegt hij. Wat hij heeft bereikt is schitterend. Iedereen hier is hem een ​​lunch schuldig omdat zijn harde werk de afgelopen maanden ons salaris heeft betaald.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2003

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Gun-Young Jung, een recente postdoc uit Zuid-Korea, staat op en beschrijft stilletjes zijn werk aan nano-afdruklithografie, een proces waarbij een fysieke mal wordt gebruikt om kenmerken te creëren die zo klein zijn als zes nanometer op siliciumwafels. Dat is meer dan een orde van grootte kleiner dan de beste eigenschappen die haalbaar zijn met de geavanceerde fotolithografische processen van vandaag. Soms blijven dingen echter aan de mal plakken. Het is als cakebeslag dat aan een pan plakt, zegt hij. Zijn presentatie duurt ongeveer tien minuten en wordt gevolgd door twee andere.

Door naar deze sprekers te luisteren, de een na de ander, krijg je geleidelijk een idee van de stijl van de groep. Ze houden van zelfspot en injecteren frequente uitingen van verbijstering in hun wetenschappelijke verklaringen, alsof ik het niet weet en het nog steeds een mysterie is en ik nog steeds moet onderzoeken, en zelfs ik ben nog een behoorlijk beginneling. En ondanks hun duidelijke expertise, is dit geen valse bescheidenheid.

De groep van Williams staat voor een monumentale taak: proberen computers te maken waarvan de functionaliteit berust op de werking van moleculen. Om dit te doen, moet de transistor opnieuw worden uitgevonden. Hoewel silicium en andere anorganische halfgeleiders altijd de basisbouwstenen van microchips zijn geweest, blijkt dat organische moleculen ook potentieel bruikbare elektrische eigenschappen kunnen hebben. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers inderdaad geleerd moleculen te synthetiseren die kunnen functioneren als elektronische schakelaars, binaire 1s of 0s in het geheugen houden of deelnemen aan logische operaties. En moleculen hebben één belangrijk voordeel: ze zijn erg klein.

Dergelijk werk is van cruciaal belang voor de toekomst van computers, omdat de conventionele chipfabricagetechnologie op een ramkoers ligt met de economie. De beste computerchips van vandaag hebben siliciumkenmerken van slechts 90 nanometer. Maar hoe kleiner de functies, hoe duurder de optische apparatuur die nodig is om ze te vervaardigen. Een ultramoderne fabriek voor de fabricage van siliciummicrochips kost nu zo'n 3 miljard dollar om te bouwen. Een chip waarin siliciumtransistors worden vervangen door moleculaire apparaten, zou daarentegen in principe kunnen worden gefabriceerd via een eenvoudig chemisch proces dat net zo goedkoop is als het maken van fotografische film. Een circuit met 10 miljard schakelaars zou uiteindelijk op een korreltje zout kunnen passen; dat is duizend keer de dichtheid van de transistors in de beste computers van vandaag. Een computer die uit dergelijke circuits is gebouwd, kan in seconden miljarden documenten of duizenden uren video doorzoeken, zeer nauwkeurige simulaties en voorspellingen van het weer en andere fysieke verschijnselen uitvoeren, en de menselijke intelligentie veel beter nabootsen, misschien zelfs met ons communiceren via natuurlijk gesprek.

Maar hoe verleidelijk het in theorie ook is, het is speculatief, hemels onderzoek, en investeren in moleculaire elektronica is een gok die maar weinig bedrijven hebben willen wagen. HP's vertrouwen in Williams is een belangrijke reden waarom het een van de uitzonderingen is, zegt Shane Robison, executive vice president en chief strategy and technology officer van het bedrijf. Naast zijn vermogen om een ​​eersteklas team van interdisciplinaire experts samen te stellen en de nadruk te leggen op het omzetten van wetenschap en technologie in echte producten, is Stans beste kwaliteit waarschijnlijk zijn eeuwige optimisme, zegt Robison. Natuurlijk is er ook de verleiding van enorme winsten, mocht de technologie van Williams ooit conventionele siliciumchips vervangen. Dergelijke ambitieuze projecten zijn altijd een gok, maar we zouden het niet doen als we niet dachten dat er een goede kans van slagen was, zegt Robison.

Om zeker te zijn, heeft het bedrijf zijn weddenschap afgedekt door voorzichtig te zijn met financiering. De groep van Williams heeft een vierjarige subsidie ​​van $ 12,5 miljoen van het U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), en HP zorgt voor bijpassende fondsen, maar ongeveer de helft van de DARPA-financiering gaat naar universitaire onderzoekspartners. Tekenen van bezuiniging zijn overal in het lab, van een tekort aan voorraden in de koffiekamer tot door de jury opgetuigde apparatuur. Desalniettemin heeft de groep de ene doorbraak na de andere bereikt, met name door te bewijzen dat een dwarsbalkontwerp dat ooit gebruikelijk was in conventionele elektronica, op moleculaire schaal kan worden herrezen. Tijdens een demonstratie vorig jaar ving de groep moleculen op in de verbindingen tussen titanium en platina nanodraden gerangschikt in een acht bij acht, één micrometer vierkant raster, en toonde aan dat de moleculen kunnen worden in- en uitgeschakeld op specifieke kruispunten - een eerste stap in het bouwen van een werkgeheugen of logisch apparaat.

Blind werken

Breng wat tijd door in het lab van Williams en je begint te begrijpen waarom veel over moleculaire elektronica nog steeds een mysterie is, te beginnen met de relatief eenvoudige vraag wat de onderzoekers precies bouwen. Yong Chen, geboren in China en sinds 1998 lid van de Williams-groep, brengt veel van zijn tijd door in een benauwde, raamloze kamer van negen vierkante meter, bekleed met dik schuim. Het is de thuisbasis van een delicate elektronenmicroscoop, die elektronenstralen gebruikt om een ​​ruw beeld te creëren van de structuren die Chen in het laboratorium in de hal maakt.

Chen is de leider van het team dat de groep tot nu toe het grootste publieke succes heeft bezorgd, het 64-bits crossbar-geheugen. Zijn team drukte eerst acht parallelle nanodraden gemaakt van titanium en platina op een siliciumsubstraat en bedekte deze draden met een één molecuul dikke laag van een synthetische chemische stof genaamd rotaxaan. Vervolgens legden ze een tweede set titaniumdraden loodrecht op de eerste neer, waardoor de mogelijkheid ontstond van een elektrische verbinding tussen de draden op elke kruising in het raster.

Elk molecuul rotaxaan - dat werd uitgevonden door scheikundige Fraser Stoddart aan de Universiteit van Californië, Los Angeles - bestaat uit een lange as met aan elk uiteinde twee brokken atomen en een ring van atomen die om de as cirkelt. De groepen van Stoddart en Williams theoretiseren dat wanneer een spanning wordt aangelegd via een specifiek, kruisend paar nanodraden, de ringen op de rotaxaanmoleculen tussen de draden van het ene uiteinde van de as naar het andere springen en daar blijven totdat een ander voltage wordt toegepast. Dit zou de weerstand van de moleculen tegen elektrische stroom kunnen verhogen of verlagen, en deze twee geleidbaarheidstoestanden zouden digitale 1s of 0s vertegenwoordigen. Nu probeert Chen, die graag wil zien hoe klein hij zo'n apparaat kan maken, de afzonderlijke draden nog dichter bij elkaar te printen. Het is een nauwgezette arbeid, waarbij je nooit weet of je vooruitgang boekt tot het moment dat het werkt.

Tegenwoordig is Chen met open mond, verrukt, met absolute aandacht op de monitor voor hem, terwijl hij ook probeert een gesprek te voeren. Helemaal succesvol is hij niet. Enkele minuten gaan stilletjes voorbij terwijl een vraag onbeantwoord in de lucht hangt. Hij vergroot de vergroting van de microscoop terwijl hij door een reeks vage, grijs-op-grijze beelden zoekt die eruitzien als satellietfoto's van een woestijn.

Nadat we het fabricageproces hebben voltooid, komen we hier om te controleren wat voor soort ding we hebben, zegt hij. Ik wil zien of de draad geaard is op het substraat of erboven hangt. Daar is er een. Oeps, ik ben het kwijt.

Uiteindelijk vindt hij iets dat lijkt op een stuk betonstaal op een stapel houtskoolstof, maar in werkelijkheid een draad is, 35 nanometer breed, die op de siliconenbasis rust. Hij maakt een foto, weer stil, zijn adem inhoudend omdat geluidsgolven de kwaliteit van het beeld zullen beïnvloeden.

We kunnen nu praten, zegt hij. Hier kun je zien dat deze draad is gebroken. Jammer. Dit is eerlijk gezegd een routine-experiment. Het doel van Chen is om een ​​combinatie van materialen te vinden - een recept, zo je wilt - die een Teflon-achtige niet-kleverigheid zal geven aan de mal die de draden op het substraat afzet; anders puilen ze uit en draaien ze wanneer de mal wordt verwijderd. Maar zittend in deze verstilde, met schuim bedekte kamer, kijkend naar een van de toonaangevende wetenschappers in het veld die korrelige beelden doorzoekt, realiseer je je hoe moeilijk het is om op deze schaal te werken. Drie weken later, na vijf maanden van nauwgezette experimenten en observaties, vinden Chen en Gun-Young Jung het resultaat waarnaar ze op zoek waren, waardoor de mogelijkheid van moleculaire circuits een kleine stap dichterbij komt.

Ik heb verschillende dingen verkeerd berekend, zegt Chen eenvoudig.

Nu kan hij verder met het volgende probleem.

Van plaats wisselen

Het observeren van resultaten is natuurlijk de laatste stap in een reeks gebeurtenissen die traditioneel begint met een theorie over hoe dingen zich zouden moeten gedragen. In het geval van moleculaire elektronica is er echter maar heel weinig een rechte lijn van theorie naar experiment naar resultaat gelopen. Theorieën kunnen jarenlang wegkwijnen in afwachting van tools die nauwkeurig genoeg zijn om ze te testen. In feite stelden scheikundigen voor het eerst het idee van moleculaire elektronica voor in het midden van de jaren zeventig, maar het zou nog 20 jaar duren voordat iemand het in praktijk kon brengen. De laatste tijd beginnen de experimentele resultaten echter het vermogen van theoretici om ze te verklaren te overtreffen.

Een puzzel is het gebrek aan consistentie in het meten van experimentele resultaten, van lab tot lab en zelfs van experiment tot experiment. Alex Bratkovsky, een theoretisch fysicus en geboren in Moskou die in 1996 bij HP kwam werken, zegt dat hij een van de eersten was die besefte dat de oriëntatie van een molecuul tussen metalen elektroden van cruciaal belang is voor het begrijpen van de schakeleigenschappen. De stroom hangt enorm af van hoe het molecuul zich verbindt met het substraat, zegt Bratkovsky. Het signaal kan verdwijnen en dan terugkomen, afhankelijk van de positie van het molecuul. Dat feit hebben we een hele tijd buiten beschouwing gelaten. Aangezien het controleren van de oriëntatie van het molecuul nog steeds verder gaat dan de huidige experimentele instrumenten, variëren de resultaten sterk van laboratorium tot laboratorium, en wetenschappers moeten in veel gevallen beoordelen of verschillen tussen hun resultaten echte betekenis hebben of kunnen worden verklaard door effecten die nog steeds buiten experimentele controle vallen.

Om het omschakelingsfenomeen te begrijpen, bestuderen de HP-onderzoekers een reeks nieuwe moleculen die mogelijk gemakkelijker kunnen worden gecontroleerd dan rotaxaan, zegt Bratkovsky. Sommige hiervan worden al ontworpen, maar de voortgang is traag. Het kan meer dan twee jaar duren om een ​​molecuul te ontwerpen, te simuleren, te synthetiseren en uiteindelijk te testen op zijn elektronische eigenschappen, waarna onderzoekers opnieuw kunnen beginnen.

Aan de andere kant van de gang van Bratkovsky bracht Duncan Stewart, een experimenteel fysicus die onlangs was ingehuurd door het laboratorium van Williams, meer dan zes maanden door met een contrair experiment om te helpen onderzoeken waarom sommige moleculen kunnen fungeren als moleculaire schakelaars en hun geleidbaarheid veranderen als reactie op een aangelegde spanning. In plaats van designermoleculen zoals rotaxaan, gebruikte Stewart een eenvoudig koolwaterstofmolecuul dat bestaat uit een keten van 18 koolstofatomen omringd door waterstofatomen. Stewart noemt het de Plain Jane van de moleculaire wereld. Het is stabiel, inert en zou in theorie geen interessante elektronische eigenschappen moeten hebben. Maar het wisselde toch.

Ik heb enorm veel gegevens, en het verhaal is dat de gegevens in geen enkel model of bestaande theorie passen. Dus zelfs in het eenvoudigste geval begrijpen we niet hoe elektronen door een molecuul reizen, zegt hij. Soms is het buitengewoon frustrerend. Je moet heel eigenwijs zijn, zes maanden lang met je hoofd tegen een muur slaan, en uiteindelijk begeeft een enkele steen zich, en uiteindelijk stort de hele muur in en zie je een andere muur.

Het stof in de machine

Als de door deze onderzoekers bestudeerde materialen verbijsterend en onvoorspelbaar lijken, is de machine die ze gebruiken dat nog meer. Vooruitgang in moleculaire elektronica is vaak overgeleverd aan onvoorspelbare storingen in de experimentele apparatuur. Dit is tenslotte laboratoriumwetenschap en geen techniek.

Tan Ha, een inwoner van Vietnam, heeft de leiding over de apparatuur die in de cleanroom van het lab wordt gebruikt. Twee of drie keer per dag trekt hij een cleanroompak aan en gaat hij de kamer in om apparatuur te testen, aan te passen en aan te passen voor wat in veel gevallen de eerste experimenten zijn. We passen ons aan. Nu zijn we klaar voor chemische oorlogsvoering, zegt hij. Het masker over zijn gezicht maakt het moeilijk te beoordelen of hij een grapje maakt.

Eenmaal binnen gaan we op weg naar een machine die een chemische dampafzettingsreactor wordt genoemd. Het ziet eruit als een grote stalen cilinder op zijn kant, ingekapseld in glas. Ik heb een speciale band met deze machine, zegt hij, en hij raakt het glas aan met een gehandschoende hand.

Dit type reactor is standaard in fabrieken voor de fabricage van halfgeleiders, maar Ha heeft de machine aangepast om de ultraprecieze experimenten uit te voeren die vereist zijn door Ted Kamins, een lid van de Williams-groep sinds 1995. Kamins heeft jarenlang gewerkt aan de ultieme droom van nano-onderzoek: het maken van apparaten groeien in gewenste structuren in plaats van ze stuk voor stuk op te bouwen. Zijn doel is om de nanodraden te kweken die nodig zijn voor moleculaire elektronica, als alternatief voor het gebruik van nano-opdruklithografie. Tot nu toe heeft Kamins draden met een diameter tot 10 nanometer gesynthetiseerd door nanodeeltjes van verschillende materialen bloot te stellen aan een mengsel van gassen in de depositiereactor. In de daaropvolgende reactie groeien lange ketens van silicium rond de deeltjes, waardoor er onder de elektronenmicroscoop een woud van naalden ontstaat.

Het kweken van de draden die nodig zijn voor moleculaire elektronica is spannend, maar de specifieke experimenten van Kamins zijn bijna niet gebeurd. Ha vertelt me ​​dat hij meer dan een jaar van zijn leven heeft geprobeerd om de machine te laten werken. Elke keer dat we een experiment uitvoerden, zou besmetting het proces vernietigen, zegt hij. Het was niet dat de machine kapot was; het is alleen dat niemand ooit de experimenten had hoeven doen die Kamins wilde doen. Het moet voor mij een spirituele agenda worden, zegt Ha. Ted was gefrustreerd. Ik ook. Ik zou hier de hele dag op mijn knieën zitten en dingen schroef voor schroef aanpassen. Ik zou 's avonds naar bed gaan en mijn ogen sluiten en het loodgietersschema op mijn oogleden zien. Het bleek een probleem in het uitlaatsysteem te zijn. Ik ging naar huis en zei tegen mijn vrouw: Dat is het; Ik ben een bewezen equipment engineer.’ Zo blij was ik.

Een winnaar kiezen

Tot grote teleurstelling van Duncan Stewart vroeg Williams hem om na zes maanden zijn resultaten met het koolwaterstofmolecuul te publiceren en zich op ander werk te concentreren. Toch moedigde Williams Ha aan om een ​​jaar lang op zijn knieën te blijven werken en te dromen over loodgietersschema's, voor experimenten die volgens Williams ten minste zes jaar na voltooiing zullen plaatsvinden en mogelijk nooit een praktisch resultaat zullen opleveren. Hoe beslist hij in een zee van concurrerende theorieën en mogelijkheden, en met de budgettaire druk waarover hij met enige regelmaat klaagt?

Het is een kwestie van ervaring, zegt Williams. Ik ben in mijn carrière vele malen door doodlopende steegjes gegaan. Ze zijn zo aanlokkelijk. Je kunt op deze dingen ingaan en denken, oké, nog een stap, nog een stap. Andere dingen voelen alsof ze in de goede richting zijn, en ik kan zien waar we heen gaan. Met andere woorden, hij heeft geleerd op zijn intuïtie te vertrouwen, want dat is alles wat hij heeft. Ik heb de cyclus vele malen doorlopen.

Williams' langste toewijding aan elk idee in moleculaire elektronica is de architectuur van de dwarsbalk. Maar hij geeft toe dat zelfs dit idee een doodlopende weg kan zijn. Zal het bijvoorbeeld ooit mogelijk zijn om moleculen netjes op te sluiten op de kruising van twee draden met volledig vertrouwen in hun oriëntatie? Dan is er nog het praktische probleem van versterking, of het omzetten van een zwakke elektrische input in een sterke output; dit is een essentieel vermogen dat nodig is om zowel logische bewerkingen uit te voeren als om de kleine stroompjes die de moleculaire schakelaars kruisen te versterken, zodat conventionele siliciumsystemen ze kunnen detecteren. En het is een probleem zonder aantoonbare oplossing.

Stan is een slimme kerel, God zegene hem, en als iemand deze dingen kan oplossen, zal het zijn team zijn, zegt James Tour, een chemicus van Rice University die werkt aan een concurrerende benadering van moleculaire computing. Maar hij heeft een moeilijk probleem. Op elk kruispunt moeten de moleculen stabiel zijn. Dan moeten ze communiceren met alle draden die eruit komen. Daar zijn enorme kosten aan verbonden. Ze moeten een steile heuvel beklimmen.

Het is zeker mogelijk dat we het bij het verkeerde eind hebben, geeft Williams toe. Dan schudt hij zijn hoofd en houdt even op nederig te zijn.

Ik denk het niet, zegt hij. Ik denk dat we de winnaar hebben gekozen, iets waardoor dit ding dat we de wet van Moore noemen nog 50 jaar kan doorgaan. Vroeger dacht ik dat het onmogelijk was. Nu denk ik dat het onvermijdelijk is.

Alternatieven voor Silicium
Technologie	computer elementen	Toonaangevende instellingen
DNA computergebruik	DNA- en RNA-strengen in oplossing	Universiteit van Zuid Californië, Weizmann Instituut voor Wetenschap
Moleculaire elektronische apparaten	Moleculen zoals rotaxaan	Universiteit Hewlett-Packard, Yale
Nanocellen	Gouden nanodeeltjes afgezet in willekeurige arrays	Rijst Universiteit
Elektronische componenten van nanobuisjes	Koolstofnanobuisjes die werken als transistors, geheugen en draden	IBM, Harvard University, NASA Ames Onderzoekscentrum
Quantum computing	Kwantumeigenschappen van elektronen en moleculen	MIT, IBM, Hewlett-Packard, National Instituut voor Normen en technologie

zich verstoppen