Reinventare il transistor

Ogni venerdì pomeriggio agli Hewlett-Packard Labs di Palo Alto, in California, R. Stanley Williams, uno dei pensatori più rispettati nel campo dell'elettronica molecolare, riunisce il suo gruppo di 25 ricercatori per parlare di lavoro. Uno dopo l'altro, si dirigono verso la sala conferenze. Williams entra esattamente in orario, si siede davanti e si appoggia all'indietro, accigliato, con le mani incrociate. È stato assunto da HP nel 1995 per ripensare alle basi dell'informatica e ha selezionato personalmente il team all'interno di questa stanza per fare proprio questo. A Williams piace indossare i jeans, ei suoi capelli arrivano a metà della schiena, quindi dà una prima, fugace impressione di quiete e informalità. Ma a quanto pare non sorride mai e i suoi dipendenti lavorano 19 ore al giorno per rispettare le sue scadenze. Williams aspetta qualche minuto per i soliti ritardatari, poi si alza. Parla in un efficiente monotono.

Ascolteremo prima Gun-Young oggi, dice. Quello che ha realizzato è magnifico. Tutti qui gli devono un pranzo perché il suo duro lavoro ha pagato i nostri stipendi negli ultimi mesi.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2003

• Vedi il resto del problema
• sottoscrivi

Gun-Young Jung, un recente postdoc dalla Corea del Sud, si alza e descrive tranquillamente il suo lavoro sulla litografia con nanoimprinting, un processo che utilizza uno stampo fisico per creare caratteristiche piccole come sei nanometri di diametro su wafer di silicio. È più di un ordine di grandezza inferiore alle migliori caratteristiche ottenibili utilizzando i processi fotolitografici avanzati di oggi. A volte le cose si attaccano allo stampo, però. È come l'impasto di una torta che si attacca a una padella, dice. La sua presentazione dura una decina di minuti ed è seguita da altre due.

Ascoltare questi diffusori, uno dopo l'altro, trasmette gradualmente un senso dello stile del gruppo. Amano l'umorismo autoironico e iniettano frequenti espressioni di smarrimento nelle loro spiegazioni scientifiche, come se non lo sapessi ed è ancora un mistero e ho ancora bisogno di indagare, e anche io sono ancora piuttosto un principiante. E nonostante la loro ovvia competenza, questa non è falsa modestia.

Il gruppo di Williams affronta un compito monumentale: cercare di realizzare computer la cui funzionalità si basi sul funzionamento delle molecole. Per farlo significherà reinventare il transistor. Mentre il silicio e altri semiconduttori inorganici sono sempre stati gli elementi costitutivi di base dei microchip, risulta che le molecole organiche possono anche avere alcune proprietà elettriche potenzialmente utili. Negli ultimi anni, infatti, i ricercatori hanno imparato a sintetizzare molecole che possono funzionare come interruttori elettronici, tenendo in memoria 1 o 0 binari o partecipando a operazioni logiche. E le molecole hanno un vantaggio significativo: sono davvero piccole.

Tale lavoro è fondamentale per il futuro dell'informatica, perché la tecnologia di fabbricazione dei chip convenzionale è in rotta di collisione con l'economia. I migliori chip per computer di oggi hanno caratteristiche di silicio di appena 90 nanometri. Ma più piccole sono le caratteristiche, più costosa è l'attrezzatura ottica necessaria per produrle. Un impianto all'avanguardia per la fabbricazione di microchip di silicio ora costa circa 3 miliardi di dollari per la costruzione. Un chip in cui i transistor al silicio vengono sostituiti con dispositivi molecolari, d'altra parte, potrebbe in linea di principio essere fabbricato attraverso un semplice processo chimico, economico quanto la realizzazione di una pellicola fotografica. Un circuito con 10 miliardi di interruttori potrebbe alla fine adattarsi a un grano di sale; è mille volte la densità dei transistor nei migliori computer di oggi. Un computer costruito da tali circuiti potrebbe cercare miliardi di documenti o migliaia di ore di video in pochi secondi, condurre simulazioni e previsioni molto accurate del tempo e di altri fenomeni fisici e fare un lavoro molto migliore nell'imitare l'intelligenza umana, forse anche comunicando con noi attraverso conversazione naturale.

Ma non importa quanto sia allettante in teoria, è una ricerca speculativa e del cielo blu e investire nell'elettronica molecolare è una scommessa che poche aziende sono state disposte a fare. La fiducia di HP in Williams è una delle ragioni principali per cui è una delle eccezioni, afferma Shane Robison, vicepresidente esecutivo dell'azienda e chief strategy and technology officer. Oltre alla sua capacità di mettere insieme un team di prima classe di esperti interdisciplinari e l'enfasi su come trasformare la scienza e la tecnologia in prodotti reali, la migliore qualità di Stan è probabilmente il suo eterno ottimismo, afferma Robison. Naturalmente, c'è anche il richiamo di immensi profitti, se la tecnologia di Williams dovesse mai sostituire i tradizionali chip di silicio. Progetti così ambiziosi sono sempre azzardati, ma non lo faremmo se non pensassimo che ci siano buone possibilità di successo, dice Robison.

A dire il vero, la società ha coperto la sua scommessa essendo cauta con i finanziamenti. Il gruppo di Williams ha una sovvenzione quadriennale di 12,5 milioni di dollari dalla U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e HP fornisce fondi corrispondenti, ma circa la metà del finanziamento DARPA va ai partner di ricerca universitari. Segnali di risparmio sono ovunque nel laboratorio, dalla carenza di rifornimenti nella sala caffè alle attrezzature truccate. Tuttavia, il gruppo ha compiuto un passo avanti dopo l'altro, in particolare, dimostrando che un design a barra incrociata un tempo comune nell'elettronica convenzionale può essere resuscitato su scala molecolare. In una dimostrazione dell'anno scorso, il gruppo ha intrappolato molecole nelle giunzioni tra i nanofili di titanio e platino disposti in una griglia di otto per otto, quadrata di un micrometro, e ha mostrato che le molecole possono essere accese e spente in corrispondenza di giunzioni specifiche. primo passo nella costruzione di una memoria di lavoro o di un dispositivo logico.

Lavorare alla cieca

Trascorri un po' di tempo nel laboratorio di Williams e inizi a capire perché molto dell'elettronica molecolare è ancora un mistero, a cominciare dalla domanda relativamente semplice su cosa stanno esattamente costruendo i ricercatori. Yong Chen, originario della Cina e membro del gruppo di Williams dal 1998, trascorre molto del suo tempo seduto in una stanza soffocante, senza finestre, di nove metri quadrati imbottita di spessa schiuma. È la sede di un delicato microscopio elettronico, che utilizza fasci di elettroni per creare un'immagine approssimativa delle strutture che Chen crea nel laboratorio in fondo al corridoio.

Chen è il leader del team che ha dato al gruppo il suo più grande successo di pubblico fino ad oggi, la memoria crossbar a 64 bit. Il suo team ha prima impresso otto nanofili paralleli fatti di titanio e platino su un substrato di silicio e ha ricoperto questi fili con uno strato spesso una molecola di una sostanza chimica sintetica chiamata rotaxane. Hanno quindi depositato una seconda serie di fili di titanio perpendicolare alla prima, creando la possibilità di un collegamento elettrico tra i fili in qualsiasi giunzione della griglia.

Ogni molecola di rotaxano, inventata dal chimico Fraser Stoddart dell'Università della California, a Los Angeles, è costituita da un lungo asse con due grumi di atomi a ciascuna estremità e un anello di atomi che circonda l'asse. I gruppi di Stoddart e Williams teorizzano che quando viene applicata una tensione attraverso una coppia specifica e intersecante di nanofili, gli anelli sulle molecole di rotassano tra i fili saltano da un'estremità all'altra dell'asse e rimangono lì fino a quando non viene applicata un'altra tensione. Ciò potrebbe aumentare o diminuire la resistenza delle molecole alla corrente elettrica e questi due stati di conduttività rappresenterebbero 1 o 0 digitali. Ora Chen, ansioso di vedere quanto piccolo può realizzare un dispositivo del genere, sta cercando di stampare i singoli fili ancora più vicini tra loro. È un lavoro scrupoloso, in cui non sai mai se stai facendo progressi fino al momento in cui funziona.

Oggi Chen è a bocca aperta, rapito, concentrando l'attenzione assoluta sul monitor di fronte a lui, mentre cerca anche di portare avanti una conversazione. Non ha del tutto successo. Diversi minuti passano in silenzio mentre una domanda è sospesa nell'aria, senza risposta. Aumenta l'ingrandimento del microscopio mentre cerca attraverso una serie di immagini sfocate, grigio su grigio che sembrano foto satellitari di un deserto.

Dopo aver terminato il processo di fabbricazione, veniamo qui per controllare che tipo di cosa abbiamo, dice. Voglio vedere se il filo è messo a terra al substrato o sospeso sopra di esso. Ce n'è uno. Ops, l'ho perso.

Alla fine trova qualcosa che sembra un pezzo di tondo per cemento armato su un mucchio di polvere di carbone, ma in realtà è un filo di 35 nanometri di larghezza, appoggiato sulla base di silicio. Scatta una foto, di nuovo in silenzio, trattenendo il respiro poiché le onde sonore influenzeranno la qualità dell'immagine.

Possiamo parlare ora, dice. Qui, infatti, puoi vedere che questo filo è rotto. Peccato. Questo è un esperimento di routine, francamente. L'obiettivo di Chen è quello di trovare una combinazione di materiali - una ricetta, se vuoi - che conferirà una non appiccicosità simile al teflon allo stampo che deposita i fili sul substrato; altrimenti si gonfiano e si attorcigliano quando lo stampo viene rimosso. Ma seduto in questa stanza silenziosa e ricoperta di schiuma, guardando uno dei principali scienziati nel campo che cerca attraverso immagini sgranate, ti rendi conto di quanto sia difficile lavorare su questa scala. Tre settimane dopo, dopo cinque mesi di minuziosi esperimenti e osservazioni, Chen e Gun-Young Jung trovano il risultato che stavano cercando, avvicinando sempre di più la possibilità di circuiti di dimensioni molecolari.

Ho calcolato male diverse cose, dice semplicemente Chen.

Ora può passare al problema successivo.

Cambiare posto

L'osservazione dei risultati, ovviamente, è l'ultimo passo di una serie di eventi che tradizionalmente inizia con una teoria su come dovrebbero comportarsi le cose. Nel caso dell'elettronica molecolare, tuttavia, ben poco ha percorso un percorso diretto dalla teoria all'esperimento fino ai risultati. Le teorie possono languire per anni in attesa di strumenti sufficientemente precisi per testarle. In effetti, i chimici hanno proposto per la prima volta l'idea dell'elettronica molecolare a metà degli anni '70, ma sarebbero passati altri 20 anni prima che qualcuno potesse iniziare a metterla in pratica. Ultimamente, però, i risultati sperimentali hanno cominciato a scavalcare la capacità dei teorici di spiegarli.

Un enigma è la mancanza di coerenza nella misurazione dei risultati sperimentali, da laboratorio a laboratorio e persino da esperimento a esperimento. Alex Bratkovsky, un fisico teorico originario di Mosca che è entrato in HP nel 1996, afferma di essere stato uno dei primi a rendersi conto che l'orientamento di una molecola tra gli elettrodi metallici è fondamentale per comprendere le sue proprietà di commutazione. La corrente dipende enormemente da come la molecola si connette con il substrato, dice Bratkovsky. Il segnale può scomparire e poi tornare indietro, a seconda della posizione della molecola. Abbiamo ignorato questo fatto per un bel po'. Poiché il controllo dell'orientamento della molecola va ancora oltre gli attuali strumenti sperimentali, i risultati variano ampiamente da laboratorio a laboratorio e gli scienziati devono giudicare in molti casi se le differenze tra i loro risultati hanno un significato reale o possono essere spiegate da effetti ancora al di fuori del controllo sperimentale.

Per comprendere il fenomeno del passaggio, i ricercatori HP stanno studiando una gamma di nuove molecole che potrebbero essere controllate più facilmente del rotaxano, afferma Bratkovsky. Alcuni di questi sono già in fase di progettazione, ma i progressi sono lenti. Possono essere necessari più di due anni per progettare, simulare, sintetizzare e infine testare una molecola per le sue proprietà elettroniche, dopodiché i ricercatori potrebbero ritrovarsi a ricominciare tutto da capo.

Dall'altra parte del corridoio di Bratkovsky, Duncan Stewart, un fisico sperimentale recentemente assunto dal laboratorio di Williams, ha trascorso più di sei mesi in un esperimento contrarian per aiutare a indagare sul motivo per cui alcune molecole possono agire come interruttori molecolari, cambiando la loro conduttività in risposta a una tensione applicata. Invece di molecole di design come il rotaxane, Stewart ha usato una semplice molecola di idrocarburi costituita da una catena di 18 atomi di carbonio circondati da atomi di idrogeno. Stewart la chiama la Plain Jane del mondo molecolare. È stabile, inerte e teoricamente non dovrebbe avere proprietà elettroniche interessanti. Ma è comunque cambiato.

Ho un mucchio di dati e la storia è che i dati non si adattano a nessun modello oa nessuna teoria esistente. Quindi, anche nel caso più semplice, non capiamo come gli elettroni viaggiano attraverso una molecola, dice. A volte è estremamente frustrante. Devi essere molto testardo, sbattere la testa contro un muro per sei mesi, e alla fine un singolo mattone si muove, e alla fine l'intero muro crolla e vedi un altro muro.

La polvere nella macchina

Se i materiali studiati da questi ricercatori sembrano sconcertanti e imprevedibili, i macchinari che utilizzano lo sono ancora di più. I progressi nell'elettronica molecolare sono spesso alla mercé di imprevedibili difetti nelle apparecchiature sperimentali. Dopotutto, questa è scienza di laboratorio e non ingegneria.

Tan Ha, originario del Vietnam, è responsabile delle attrezzature utilizzate nella camera bianca del laboratorio. Due o tre volte al giorno indossa una tuta da camera bianca e va nella stanza per testare, regolare e modificare l'attrezzatura per quelli che in molti casi sono esperimenti unici nel loro genere. Ci adattiamo. Ora siamo pronti per la guerra chimica, dice. La maschera sul viso rende difficile giudicare se stia scherzando.

Una volta dentro, ci dirigiamo dritti verso una macchina chiamata reattore chimico a deposizione di vapore. Sembra un grande cilindro d'acciaio su un lato, racchiuso in un vetro. Ho un rapporto speciale con questa macchina, dice, e tocca il bicchiere con una mano guantata.

Questo tipo di reattore è la tariffa standard negli impianti di fabbricazione di semiconduttori, ma Ha ha modificato la macchina per eseguire gli esperimenti ultraprecisi richiesti da Ted Kamins, membro del gruppo di Williams dal 1995. Kamins ha lavorato per anni all'ultimo sogno della nano ricerca: realizzare i dispositivi crescono nelle strutture desiderate piuttosto che costruirle pezzo per pezzo. Il suo obiettivo è far crescere i nanofili richiesti dall'elettronica molecolare, come alternativa all'utilizzo della litografia nanoimprint. Finora, Kamins ha sintetizzato fili di appena 10 nanometri di diametro esponendo nanoparticelle di vari materiali a una miscela di gas nel reattore di deposizione. Nella reazione che ne segue, lunghe catene di silicio crescono attorno alle particelle, producendo quella che al microscopio elettronico sembra una foresta di aghi.

Far crescere i cavi necessari per l'elettronica molecolare è una cosa eccitante, ma i particolari esperimenti di Kamins quasi non si sono verificati. Ha mi dice che ha passato più di un anno della sua vita cercando di far funzionare la macchina. Ogni volta che eseguivamo un esperimento, la contaminazione distruggeva il processo, dice. Non era che la macchina fosse rotta; è solo che nessuno aveva mai avuto bisogno di fare gli esperimenti che Kamins voleva fare. Deve essere un'agenda spirituale per me, dice Ha. Ted era frustrato. Anch'io. Stavo qui in ginocchio tutto il giorno, a modificare le cose vite dopo vite. Andavo a letto la sera, chiudevo gli occhi e vedevo il diagramma dell'impianto idraulico sulle palpebre. Si è rivelato essere un problema nel sistema di scarico. Sono andato a casa e ho detto a mia moglie, questo è tutto; Sono un ingegnere di attrezzature collaudato.' Ecco quanto ero felice.

Scegliere un vincitore

Con grande delusione di Duncan Stewart, Williams gli chiese di pubblicare i suoi risultati con la molecola di idrocarburo dopo sei mesi e di concentrarsi su altro lavoro. Eppure Williams ha incoraggiato Ha a continuare a lavorare in ginocchio ea sognare diagrammi idraulici per un anno, per esperimenti che secondo le stime di Williams sono almeno sei anni dalla realizzazione e potrebbero non dare mai un risultato pratico. In un mare di teorie e possibilità in competizione, e con le pressioni di bilancio di cui si lamenta con una certa regolarità, come decide?

È una questione di esperienza, dice Williams. Sono stato in molti vicoli ciechi molte volte nella mia carriera. Sono così allettanti. Puoi entrare in queste cose e pensare, okay, solo un altro passo, solo un altro passo. Altre cose sembrano essere nella giusta direzione e posso vedere dove stiamo andando. In altre parole, ha imparato a fidarsi del suo intuito, perché è tutto ciò che ha. Ho attraversato il ciclo molte volte.

L'impegno più lungo di Williams in qualsiasi idea di elettronica molecolare è l'architettura della barra trasversale. Ma ammette che anche questa idea potrebbe essere un vicolo cieco. Sarà mai possibile, ad esempio, intrappolare in modo pulito le molecole alla giunzione di due fili con completa fiducia nel loro orientamento? Poi c'è il problema pratico del guadagno, o trasformare un debole input elettrico in un forte output; questa è una capacità critica necessaria sia per eseguire operazioni logiche sia per amplificare le minuscole correnti che attraversano gli interruttori molecolari in modo che i sistemi convenzionali al silicio possano rilevarle. Ed è un problema senza una soluzione dimostrata.

Stan è un ragazzo intelligente, Dio lo benedica, e se qualcuno può risolvere queste cose, sarà la sua squadra, dice James Tour, un chimico della Rice University che sta lavorando a un approccio competitivo al calcolo molecolare. Ma ha un problema difficile. Ad ogni punto d'incrocio le molecole devono essere stabili. Quindi devono interfacciarsi con tutti i fili in uscita. C'è un costo enorme per questo. Hanno una ripida collina da scalare.

È certamente possibile che ci sbagliamo, ammette Williams. Poi scuote la testa e smette di essere umile per un breve momento.

Non credo, dice. Penso che abbiamo scelto il vincitore, qualcosa che consentirà a questa cosa che chiamiamo legge di Moore di continuare per altri 50 anni. Pensavo fosse impossibile. Ora penso che sia inevitabile.

Alternative al silicio
Tecnologia	elementi di calcolo	Istituzioni leader
calcolo del DNA	Filamenti di DNA e RNA in soluzione	Università del Sud California, Weizmann Istituto di Scienze
Dispositivi elettronici molecolari	Molecole come rotaxane	Università Hewlett-Packard, Yale
Nanocelle	Nanoparticelle d'oro depositate in array casuali	Università del riso
Componenti elettronici nanotubi	Nanotubi di carbonio che fungono da transistor, memoria e fili	IBM, Università di Harvard, NASA Centro Ricerche Ames
Calcolo quantistico	Proprietà quantistiche di elettroni e molecole	MIT, IBM, Hewlett-Packard, Nazionale Istituto di standard e tecnologia

nascondere