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IBM ha annunciato due risultati scientifici molto importanti nel settore della nanotecnologia che potrebbero portare a nuovi tipi di dispositivi e strutture costituiti da pochi atomi o molecole.
Nonostante siano ancora lontani dalla messa in produzione, questi progressi permetteranno agli scienziati in IBM e in altre aziende di esplorare nuove strutture di base e dispositivi ricavati da componenti ultra minuscoli delle dimensioni di pochi atomi o molecole. Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati come futuri chip per computer, unità di memorizzazione dati e sensori.
Il lavoro svolto verrà reso noto domani in due rapporti che saranno pubblicati dalla rivista Science.
Nel primo rapporto gli scienziati IBM descrivono i progressi significativi nell’esame di una proprietà chiamata anisotropia magnetica nei singoli atomi. Questo parametro fondamentale ha conseguenze tecnologiche importanti perché determina la capacità di un atomo di memorizzare informazioni. Prima di questo risultato nessuno era stato in grado di misurare l’anisotropia magnetica di un singolo atomo.
Un ulteriore lavoro renderà possibile costruire strutture consistenti di piccoli gruppi di atomi, o persino atomi singoli, che potrebbero immagazzinare in modo affidabile informazioni magnetiche. Tale capacità di memorizzazione permetterebbe a quasi 30.000 film di lunghezza standard o all’intero contenuto di YouTube – milioni di video che si stimano essere più di 1.000 trilioni di bit di dati – di stare in un’apparecchiatura delle dimensioni di un iPOD. Fattore forse ancora più importante, questa scoperta potrebbe condurre a nuovi tipi di strutture e dispositivi così piccoli che si potrebbero applicare a interi nuovi settori e discipline al di là del calcolo tradizionale.
Nella seconda relazione, i ricercatori IBM hanno presentato il primo interruttore a molecola singola che può funzionare senza difetti evitando di disgregare la struttura esterna della molecola – un significativo passo in avanti verso elementi computazionali di base su scala molecolare che sono notevolmente più piccoli, più veloci e hanno un minore consumo energetico rispetto agli attuali chip dei computer e unità di memoria.
Oltre a commutare all’interno di una singola molecola, i ricercatori hanno inoltre dimostrato che gli atomi all’interno di una molecola possono essere impiegati per commutare gli atomi in una molecola adiacente, rappresentando un elemento logico rudimentale. Questo è reso possibile in parte perché la struttura molecolare non viene disturbata.
La scienza del piccolo: capire le proprietà magnetiche degli atomi
Nello studio intitolato “Vasta anisotropia magnetica di un singolo spin atomico integrato in una rete molecolare di superficie”, i ricercatori hanno utilizzato uno speciale microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) di IBM per manipolare singoli atomi di ferro e li hanno disposti con precisione atomica su una superficie di rame appositamente preparata. Hanno poi determinato l’orientamento e la forza dell’anisotropia magnetica dei singoli atomi di ferro.
L’anisotropia è una proprietà importante per il data storage perché stabilisce se un magnete è in grado o no di mantenere uno specifico orientamento. Questo, a sua volta, permette al magnete di rappresentare un “1” o uno “0” che sono la base per memorizzare dati nei computer.
“Una delle principali sfide per l’industria IT oggi è ridurre quanto più possibile la dimensione dei bit usati per lo storage dei dati, aumentando però la capacità,” ha detto Gian Luca Bona, manager Science and Technology presso l’IBM Almaden Research Center di San Jose, California. ” Stiamo lavorando all’ultimo limite del possibile – e adesso siamo un passo più vicini a immaginare come memorizzare dati a livello atomico. Comprendere le proprietà specifiche magnetiche degli atomi è la prima pietra per proseguire verso metodi nuovi e più efficaci di memorizzazione dati.”
Dispositivi su scala lillipuzziana: commutazione logica a molecola singola
Nello studio intitolato “Tautomerizzazione dell’idrogeno indotta da correnti e commutazione a conduttanza nelle molecole di naftalocianina” i ricercatori IBM descrivono la capacità di commutare una singola molecola “on” e “off”, un elemento base della logica dei computer, usando due atomi di idrogeno all’interno di una molecola organica di naftalocianina. In precedenza, i ricercatori di IBM e di altre aziende avevano dimostrato la possibilità di commutazione all’interno di singole molecole, ma le molecole cambiavano forma durante la commutazione, rendendole inadatte per costruire circuiti logici per chip dei computer o elementi di memoria.
Interruttori all’interno dei chip di computer agiscono come un interruttore della luce nell’aprire e chiudere il flusso degli elettroni, se messi insieme formano i circuiti logici che a loro volta formano i circuiti elettrici dei processori del computer. Avere interruttori ancora più piccoli permette ai circuiti di essere ridotti a dimensioni ancora inferiori, rendendo possibile compattare più circuiti in un processore e accelerando velocità e prestazioni.
Questi interruttori molecolari potrebbero un giorno portare a chip dei computer con velocità pari a quelle degli attuali supercomputer più veloci, ma molto più piccoli nelle dimensioni, con qualcuno che ipotizza addirittura di costruire chip per computer così piccoli da poter essere paragonati a granelli di polvere o tali da poter stare nella punta di un ago.
Lo sviluppo dei tradizionali chip CMOS su base di silicio sta arrivando ai suoi limiti fisici e l’industria IT sta esplorando nuove tecnologie davvero rivoluzionarie per ottenere ulteriori miglioramenti nelle prestazioni dei computer. La logica molecolare modulare è una possibile candidata, anche se ancora lontana molti anni dalla realizzazione. Il passo successivo per il team di ricerca è costruire una serie di queste molecole in un circuito, trovando poi il modo di interconnetterle per formare un chip molecolare.
Il concetto di usare le molecole come componenti elettronici è ancora agli albori. Attualmente sono stati dimostrati soltanto pochi esempi di singole molecole che servono da interruttori o elementi di memoria. Molte di queste molecole sono complesse strutture tridimensionali e cambiano forma durante la commutazione. E’ estremamente difficile collocarle su una superficie mantenendo la loro funzione, il che le rende inadatte come unità modulari per logica dei computer.
La commutazione all’interno della molecola usata dai ricercatori IBM è ben definita, altamente localizzata, reversibile, intrinseca alla molecola e non implica modifiche nella struttura molecolare. Di conseguenza, questa molecola potrebbe essere usata come unità modulare per dispositivi molecolari più complessi che fungono da elementi logici. Poiché la forma della molecola non si modifica durante la commutazione, è possibile accoppiare in modo controllato singoli interruttori. Il processo di commutazione dovrebbe quindi funzionare con molecole incorporate in strutture più complesse.
Scienza “casuale”
Nonostante il team di ricerca IBM abbia esaminato varie molecole per scoprire se potevano essere adatte per interruttori molecolari, nel caso della naftalocianina i test eseguiti dal team non consistevano nell’osservare la commutazione, ma piuttosto nell’esaminare le vibrazioni molecolari poiché capire le vibrazioni delle molecole è importante per dispositivi che funzionano a livello atomico. Durante questi test i ricercatori sono rimasti sorpresi nell’osservare risultati che davano valide indicazioni sulla capacità di commutare su scala molecolare ed hanno spostato la loro concentrazione dallo studio delle vibrazioni a quello della commutazione, giungendo a questa scoperta.
“Una delle cose belle dell’attività di esplorazione scientifica consiste nel fatto che facendo ricerche in un settore qualche volta si incappa in altre zone di grande importanza” ha detto Gerhard Meyer, ricercatore senior del gruppo scienza su nanoscala del laboratorio di Zurigo di IBM. “Nonostante la scoperta di questo risultato sia stata casuale, può dimostrarsi significativa per costruire computer in futuro.”
L’impegno della IBM nella nanotecnolgia
Questo nuovo risultato è l’ultimo di una serie di conquiste nel campo della scienza su nanoscala della IBM Research. Due scienziati IBM in Svizzera, Gerd K. Binnig e Heinrich Rohrer, nel 1986 hanno vinto il premio Nobel per la fisica per la loro invenzione dello STM (Scanning Tunneling Microscope) agli inizi degli anni Ottanta. Nel corso degli ultimi 20 anni, i ricercatori di IBM Almaden sono stati pionieri nell’utilizzo di STM per collocare gli atomi in strutture progettate con precisione che rivelano proprietà fondamentali su scala atomica e potrebbero avere utilizzi potenziali nella memorizzazione di informazioni, trasmissione ed elaborazione.