Lagring af data i individuelle molekyler:Molekylær hukommelse nær stuetemperatur

Moores lov-den velkendte fordobling af computerchips 'regnekraft hver 18. måned eller deromkring-er blevet tempoet af en tilsvarende jævn stigning i lagerkapaciteten på diskdrev. I 1980, en harddisk kunne gemme omkring en halv megabyte data på en kvadrat tomme diskplads; nu, producenter lukker ind på en million megabyte data per kvadrattomme.

En eksperimentel teknologi kaldet molekylær hukommelse, som lagrer data i individuelle molekyler, lover endnu 1, 000 gange stigning i lagertæthed. Men tidligere ordninger for molekylær hukommelse har påberåbt sig fysiske systemer, der er afkølet til næsten absolut nul. I online -udgaven af ​​23. januar af Natur , et internationalt forskerteam ledet af Jagadeesh Moodera, en senior forsker ved MIT Department of Physics og ved MIT's Francis Bitter Magnet Laboratory, beskriver en ny molekylær-hukommelsesordning, der fungerer omkring frysepunktet for vand-som i fysiksproget tæller som "stuetemperatur".

I øvrigt, hvor tidligere ordninger krævede at lagre molekylerne mellem to ferromagnetiske elektroder, den nye ordning ville kun kræve én ferromagnetisk elektrode. Det kan i høj grad forenkle fremstillingen, ligesom formen på lagermolekylerne selv:fordi de består af flade lag af carbonatomer, der er fastgjort til zinkatomer, de kan aflejres i meget tynde lag med meget præcise arrangementer.

Lagermolekylerne blev udviklet af kemikere ved Indian Institute of Science Education and Research i Kolkata, der er medforfattere på Nature-papiret. De indiske kemikere mente, at molekylerne kunne være nyttige til den type eksperimentelle enheder, der blev undersøgt af Mooderas gruppe, der bruger "spin, "en egenskab af små partikler af stof, at repræsentere data.

En halv sandwich

Under Mooderas tilsyn, Karthik Raman, derefter en ph.d. -studerende i MIT's Institut for Materialevidenskab og Teknik og nu forsker ved IBM's Research Lab i Indien, og Alexander Kamerbeek, en gæstestuderende fra University of Groningen, deponerede en tynd film af materialet på en ferromagnetisk elektrode og tilføjede en anden ferromagnetisk elektrode ovenpå - standardstrukturen for magnetiske minder. Ideen er, at en relativ ændring i elektrodernes magnetiske orienteringer forårsager et pludseligt spring i enhedens ledningsevne. De to konduktivitetstilstande repræsenterer 1'erne og 0'erne i binær logik.

Til deres overraskelse, imidlertid, MIT -forskerne målte ikke et, men to spring i ledningsevne. Det indebar, at elektroderne ændrede enhedens ledningsevne uafhængigt. "Ifølge den almindelige viden, dette burde ikke ske, "Siger Moodera.

For at bekræfte deres intuition, forskerne udførte forsøget igen, men i stedet for at bruge to ferromagnetiske elektroder, de brugte en ferromagnetisk elektrode og en almindelig metalelektrode, hvis eneste formål var at læse strømmen, der passerer gennem molekylet. Ja, de fandt ud af, at springet i ledningsevne stadig forekom.

Som Moodera forklarer, evnen til at ændre molekylernes ledningsevne med kun en elektrode kunne drastisk forenkle fremstillingen af ​​molekylær hukommelse. Bundelektroden i en hukommelsescelle kan afsættes i et perfekt fladt lag og lagermolekylerne lagvis ovenpå den. Men hvis det næste lag, der skal deponeres, er den øverste elektrode, dets molekyler vil have en tendens til at blande sig med lagermolekylerne. Hvis elektroden er magnetisk, at blanding kan kompromittere cellens ydeevne; hvis det er metallisk, det vil det ikke.

I et alternativt design, den øverste elektrode er en lille spids, som spidsen af ​​et atomkraftmikroskop, placeret mindre end et nanometer over lagermolekylerne. Men igen, en magnetisk elektrode giver problemer - i dette tilfælde ved at begrænse, hvor tæt lagringscellerne kan pakkes. Hvis de er for tæt på hinanden, en magnetisk spids kan ændre den magnetiske orientering af celler, der støder op til den, den skal adressere. Det er ikke et problem med ikke -magnetiske tips.

Stabelbar opbevaring

Formen på selve molekylerne kan også forenkle fremstillingen af ​​molekylær hukommelse. Typisk, eksperimentelle molekylære erindringer består af fem eller seks lag af molekyler klemt mellem elektroder. Hvis disse molekyler er korrekt justeret, de udviser store svingninger i ledningsevne, men hvis de ikke er det, det gør de ikke. At sikre deres korrekte tilpasning er en anden arbejdskrævende proces.

Molekylerne udviklet af de indiske forskere, imidlertid, består af zinkatomer fastgjort til flade plader af kulstof, som naturligvis har en tendens til at justere med hinanden. MIT -forskerne viste også, at to lag af molekylerne var tilstrækkelige til at producere en hukommelsescelle. "Hvis du sætter en hel flok molekyler mellem elektroderne, det er sværere at kontrollere, "Siger Moodera.

"Skifteeffekten nær stuetemperatur er på grund af molekylets stærke interaktion med den magnetiske overflade, "Tilføjer Raman." Det gør molekylet magnetisk og stabiliserer det. "

Jing Shi, professor i fysik ved University of California at Riverside, påpeger, at kæmpe magnetoresistens, det fysiske fænomen opdaget i 1988, der er grundlaget for de fleste moderne datalagringsenheder, vandt sine opdagere Nobelprisen i fysik i 2007. Moodera, Raman, and their colleagues "found a new type of magnetoresistance, " Shi says. "This is very novel, because you don't need very complicated material structures." As a consequence, han siger, "The fabrication process could be simpler and very flexible. You only have to prepare this interfacial layer with the desired properties; then you can, i princippet, recognize magnetoresistance."

"Naturligvis, it has some way to go, " Shi adds, "but this is a proof of concept."

Moodera agrees. "This is only the tip of the tip of the iceberg, " he says. At present, the researchers' experimental setup exhibits only a 20 percent change in conductivity, which is probably not enough for a commercial device. Together with researchers at the Peter Grünberg Institute in Jülich, Tyskland, who are also co-authors on the Nature paper, Moodera, Raman, and Kamerbeek have developed a theoretical explanation for the unexpected phenomenon of single-electrode switching. But if they can fill in the gaps in their understanding, Moodera says, they can design new organic molecules that should exhibit higher swings in conductivity. "It's possible to control the shape of organic molecules, " Moodera says. "Every year, chemists come up with hundreds of thousands of them."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.