Den første en-bit kemiske hukommelsesenhed - chit'en

I klassisk datalogi, information gemmes i bits; i kvantecomputervidenskab, information lagres i kvantebits, eller qubits. Eksperimenter ved Institut for Fysisk Kemi ved det polske Videnskabsakademi i Warszawa viser, at kemi også er et velegnet grundlag for lagring af information. Den kemiske bit, eller 'chit, ' er et simpelt arrangement af tre dråber i kontakt med hinanden, hvor der opstår oscillerende reaktioner.

I typisk elektronisk hukommelse, nuller og ettaller registreres, lagret og læst af fysiske fænomener såsom strømningen af ​​elektricitet eller ændringen i elektriske eller magnetiske egenskaber. Dr. Konrad Gizynski og prof. Jerzy Gorecki fra Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa har demonstreret en arbejdshukommelse baseret på kemiske fænomener. En enkelt bit er lagret her i tre tilstødende dråber, mellem hvilke kemiske reaktionsfronter udbreder sig støt, cyklisk, og på en nøje defineret måde.

Det kemiske grundlag for denne form for hukommelse er Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaktionen. Reaktionsforløbet er oscillerende. Når en cyklus slutter, de reagenser, der er nødvendige for at starte den næste cyklus, rekonstitueres i opløsningen. Inden reaktionen stopper, der er normalt flere tiere til hundredvis af svingninger. De er ledsaget af en regelmæssig ændring i opløsningens farve, forårsaget af ferroin - reaktionskatalysatoren. Den anden katalysator brugt af Warszawa-forskerne var ruthenium. Introduktionen af ​​ruthenium får BZ-reaktionen til at blive lysfølsom - når opløsningen belyses af blåt lys, den holder op med at svinge. Denne funktion gør det muligt at kontrollere reaktionsforløbet.

"Vores idé til kemisk opbevaring af information var enkel. Fra vores tidligere eksperimenter, vi vidste, at når Belousov-Zhabotinsky dråber er i kontakt, kemiske fronter kan forplante sig fra dråbe til dråbe. Så vi besluttede at lede efter de mindste dråbesystemer, hvor excitationer kunne finde sted på flere måder, hvor mindst to er stabile. Vi kunne så tildele én sekvens af excitationer en logisk værdi på 0, den anden 1, og for at skifte mellem dem og fremtvinge en bestemt ændring af hukommelsestilstand, vi kunne bruge lys, " forklarer prof. Gorecki.

Eksperimenter blev udført i en beholder fyldt med et tyndt lag lipidopløsning i olie (decan). Små mængder oscillerende opløsning tilsat systemet med en pipette dannede dråber. Disse blev placeret over enderne af optiske fibre bragt til bunden af ​​beholderen. For at forhindre dråberne i at glide af de optiske fibre, hver var immobiliseret af flere stænger, der stak ud fra bunden af ​​beholderen.

Søgningen begyndte med en undersøgelse af par af koblede dråber, hvor fire typer (modes) af oscillation kan finde sted:dråbe en exciterer dråbe to; dråbe to exciterer dråbe en; begge dråber ophidser hinanden samtidigt; begge ophidser hinanden på skift (dvs. når man er spændt, den anden er i den ildfaste fase).

"I parrede dråbesystemer, oftest, den ene dråbe ophidsede den anden. Desværre, kun én tilstand af denne type var altid stabil, og vi havde brug for to, " siger Dr. Gizynski. "Begge dråber består af den samme løsning, men de har aldrig helt de samme dimensioner. Som resultat, i hver dråbe, de kemiske svingninger sker i et lidt andet tempo. I sådanne tilfælde, dråben, der oscillerer langsommere, begynder at tilpasse sin rytme til sin hurtigere 'ven'. Selv hvis det var muligt med lys at tvinge den langsommere oscillerende dråbe til at excitere den hurtigere oscillerende dråbe, systemet ville vende tilbage til den tilstand, hvor den hurtigere dråbe stimulerede den langsommere."

I denne situation, IPC PAS-forskerne undersøgte trillinger af tilstødende dråber arrangeret i en trekant (så hver dråbe rørte sine to naboer). Kemiske fronter kan forplante sig her på mange måder:Dråber kan svinge samtidigt i anti-fase, to dråber kan oscillere samtidigt og fremtvinge svingninger i den tredje, osv. Forskerne var mest interesserede i rotationsformer, hvor de kemiske fronter gik fra dråbe til dråbe i en 1-2-3 sekvens eller i den modsatte retning (3-2-1).

En dråbe, hvori Belousov-Zhabotinsky-reaktionen forløber, ophidser hurtigt, men det tager meget længere tid for den at vende tilbage til sin oprindelige tilstand og først derefter kan den blive ophidset igen. Så hvis excitationen i 1-2-3-tilstanden skulle nå dråbe tre for hurtigt, det ville ikke komme igennem til drop en for at starte en ny cyklus, fordi en dråbe ikke ville have tid nok til at 'hvile'. Som resultat, rotationstilstanden ville forsvinde. IPC PAS-forskere var kun interesserede i rotationstilstande, der var i stand til flere gentagelser af excitationscyklussen. De havde en ekstra fordel:De kemiske fronter, der cirkulerer mellem dråberne, ligner en spiralbølge, og bølger af denne type er kendetegnet ved øget stabilitet.

Eksperimenter viste, at begge de undersøgte rotationstilstande er stabile, og hvis et system kommer ind i et af dem, det forbliver indtil Belousov-Zhabotinsky-reaktionen ophører. Det blev også bevist, at ved korrekt valg af tid og længde for belysning af passende dråber, rotationsretningen af ​​excitationerne kan ændres. Triplet dråbesystemet, med flere kemiske fronter, var således i stand til permanent at lagre en af ​​to logiske tilstande.

"Faktisk, vores kemiske bit har et lidt større potentiale end den klassiske bit. De rotationstilstande, vi brugte til at registrere, tilstande nul, og en havde de korteste oscillationsperioder på 18,7 og 19,5 sekunder, henholdsvis. Så hvis systemet svingede langsommere, vi kunne tale om en yderligere tredje logisk tilstand, " kommenterede Dr. Gizynski, og bemærker, at denne tredje tilstand kunne bruges, for eksempel, for at kontrollere rigtigheden af ​​registreringen.

Forskningen i hukommelse, der består af oscillerende dråber, var grundlæggende af natur og tjente kun til at demonstrere, at stabil lagring af information ved hjælp af kemiske reaktioner er mulig. De nydannede hukommelsesreaktioner var kun ansvarlige for lagring af information, mens dets optagelse og læsning krævede fysiske metoder. Det vil sandsynligvis vare mange år, før en fuldt fungerende kemisk hukommelse kan bygges som en del af en fremtidig kemisk computer.