Wetenschappers IBM bouwen kleinste schakeling ooit

Pronkstuk van het laboratorium is een sorteerschakeling met drie in­ en uitgangen. Dit onderdeel is samengeperst op een stukje koperplaat van 12 bij 17 nanometer. De sorteerschakeling is behalve tot de AND en OR­functie ook in staat een zogeheten majority­rule toe te passen. Dit meerderheidsprincipe wordt veelvuldig toegepast in fouttolerante systemen. Aan boord van een ruimtevaartuig bijvoorbeeld wordt de besturing overgelaten aan drie computers waarbij bij afwijkende uitkomsten de meerderheid beslist. Weinig energie De schakelingen zoals die nu zijn gebouwd zijn niet alleen heel erg klein, ze vragen ook bijna geen energie. "We hebben een vergelijking gemaakt tussen onze sorteerschakeling, die 1 elektronvolt aan energie verbruikt, en een in standaard halfgeleidermateriaal uitgevoerd circuit. Dat laatste bleek ongeveer 100.000 maal zoveel energie nodig te hebben." De schakelingen die de onderzoekers van IBM hebben gemaakt, bestaan uit koolmonoxidemoleculen die op een koperen onderlaag worden aangebracht. Door de moleculen, die elkaar licht afstoten, voldoende dicht op elkaar te zetten, ontstaat een zogeheten metastabiele situatie. De onderzoekers vergelijken die situatie met het zodanig plaatsen van tennisballen in een eierdoosje dat ze elkaar verhinderen om goed in de putjes te zakken. In die situatie is een klein zetje genoeg om een molecuul van plaats te doen veranderen. Door de moleculen in een goed doordacht patroon te rangschikken, lokt de verplaatsing van één molecuul aan de ingang een kettingreactie uit door het gehele patroon, net zoals een rijtje dominostenen omvalt wanneer de eerste van de rij wordt omgestoten. Door rijtjes moleculen aan elkaar te koppelen kunnen OF­ dan wel EN­poorten worden gemaakt. De positionering van de moleculen is gebeurd met hulp van een STM, een Scanning Tunneling Microscope, waarmee atomen en moleculen kunnen worden gedetecteerd, maar ook gemanipuleerd. Reset­mechanisme Zoals de schakelingen nu zijn gebouwd, kunnen ze maar één keer hun werk doen. Een volgende stap is het zoeken naar een techniek waarmee het ‘omvallen der dominostenen’ weer ongedaan kan worden gemaakt. "Het is zoeken naar een reset­mechanisme", zegt IBM Research Fellow Don Eigler. Overigens zie je dit soort effecten op de gewone schaal waarin wij ons dagelijks bewegen helemaal niet. Ze treden slechts op op nanoschaal. Eigler ontdekte het cascade­effect, zoals de molecuulbewegingen ook worden genoemd, zo’n twee jaar geleden. "De tijd die lag tussen de ontdekking zelf en de bouw van een werkende schakeling was verbazend kort", aldus Eigler. De circuits moeten nu nog met de hand worden gemaakt. "En dat kost, bij een ingewikkelde schakeling, toch al gauw een paar uur. Dat lijkt te veel moeite, een paar uur werk voor een eenmalig kunstje, maar het biedt wel een uitgelezen mogelijkheid voor verder onderzoek. We zoeken verder in de richting van andere cascade­effecten, bijvoorbeeld op basis van de richting waarin elektronen ronddraaien, de zogeheten elektron­spin." Binnen IBM wordt een aantal onderzoeksrichtingen gevolgd voor het kleiner maken van computercircuits. Erg bekend is research naar nanobuisjes, waarmee ook al werkende transistoren zijn gemaakt. Ook deze techniek lijdt nog onder het feit dat zo’n nanotransistor erg moeilijk te maken is, vooral in de gewenste grote aantallen. Bij IBM wordt gekeken in hoeverre deze kleine circuits ‘zichzelf kunnen assembleren’, bijvoorbeeld door ze langs chemische weg te laten groeien. "Daar hechten we veel belang aan. Kleine circuits moeten makkelijk en goedkoop te maken zijn, dan pas kun je ze toepassen in massaal geproduceerde systemen", zegt Tom Theis, hoofd van het Thomas J. Watson Research Lab van IBM in New York.