Nano switch kunne lagre hukommelse ved hjælp af koordineret dans af atomer

(Phys.org) – I en af ​​de mindste kontakter, der nogensinde er lavet, fem atomer ser ud til at "danse" rundt om hinanden i en kompleks koreografisk sekvens, med deres endelige arrangement svarende til en af ​​to stabile tilstande. Denne samordnede bevægelse af flere atomer er ulig den i andre nano-switche, som typisk involverer bevægelse af kun et enkelt atom eller molekyle. Bevægelsen af ​​flere atomer giver kontakten en stor fordel:på grund af dens stabilitet, det er en af ​​de få afbrydere på atomare skala, der er i stand til at fungere ved stuetemperatur i stedet for kryogene temperaturer.

Forskerne, Eiichi Inami, et al., ved Osaka University og Japans National Institute for Materials Science, har udgivet deres papir om stuetemperatur, atom-skala switching enhed i en nylig udgave af Naturkommunikation .

Nano-switche er en del af det større mål om at udvikle miniaturiserede elektroniske komponenter, hvor enkelte atomer og molekyler tjener som de mindste byggesten fysisk muligt. Forskere bruger mikroskopets spidser, såsom dem på scanning tunneling mikroskoper (STM'er) og atomic force mikroskoper (AFM'er), at påføre enkelt-elektronimpulser, der bevæger individuelle atomer og molekyler på en kontrolleret måde.

Selvom mange afbrydere i atomskala er blevet demonstreret ved hjælp af disse mikroskoper, de fleste kontakter fungerer kun ved kryogene temperaturer. Dette skyldes, at varme forårsager ukontrollerbare processer, der forstyrrer atombevægelsen, forårsager skift på uønskede tidspunkter.

For at lave en stald, stuetemperatur, atomskala omskifter, forskerne i det nye studie brugte en mikroskopspids til at opsamle bly (Pb) atomer én efter én og placere dem i en begrænset halvenhedscelle på en silicium (Si) overflade. Selvom individuelle Pb-atomer udviser "termisk hop, " fandt forskerne ud af, at en klynge af tre Pb-atomer (Pb ₃ ) er termisk stabil ved stuetemperatur på grund af sin større størrelse, men stadig lille nok til at reagere på den elektriske strøm fra mikroskopspidsen.

Som vist i eksperimenter og modellering, hver indelukket celle har to mulige stabile arrangementer af Pb ₃ og Si-atomer. For at skifte mellem stater, en mikroskopspids scannes over et specifikt Pb- eller Si-atom, som udløser en kompleks bevægelse, der involverer to Pb- og tre Si-atomer. Forskerne beskriver denne bevægelse som en chiral inversion, hvilket betyder, at de to stabile tilstande er spejlbilleder af hinanden efter at være blevet oversat og roteret. Denne "chirale switch" kan skiftes gentagne gange frem og tilbage mellem de to tilstande, som svarer til høje og lave elektriske strømme.

"Vores nanostrukturkontrol kan tilføje en funktion til en klynge, " Forklarede Inami Phys.org . "Da en klynge - en aggregering af nogle få til et par hundrede atomer - nogle gange udviser overlegne egenskaber med særlig størrelse og sammensætning, at kontrollere klyngestruktur er en lovende tilgang til realisering af atomare enheder. Vores teknik muliggør korrekt justering af klyngestørrelse og konstituerende atomer med enkeltatoms nøjagtighed. Ved at bruge denne metode, vi kontrollerede præcist den strukturelle stabilitet af en klynge, så den fungerer som en rumtemperaturkontakt."

Samlet set, skiftet viser, at Pb ₃ kan potentielt fungere som en grundlæggende hukommelsesenhed. For at realisere en komplet hukommelsesenhed, flere celler skal integreres i en periodisk, velordnet array. Forskerne foreslår, at selvsamlingsprocesser kunne bruges til at konstruere en sådan hukommelsesenhed, og kan i sidste ende føre til ultra-høj tæthed optagelse og læsning af information ved stuetemperatur.

"Vi tror, ​​at dette skifte kan blive et stærkt værktøj til grundforskning, " sagde Inami. "F.eks. switchen har en interessant funktion, at skiftet sker mellem modsat chiralitet, resulterer i en chiral switch. Kiral teknologi rettet mod syntesen af ​​'enantioprene forbindelser' [som kun har én chiral form] giver ultimativ kontrol over kemiske reaktioner og har været et mål i fysik, kemi, biologi og farmakologi. Vores tilgang kan konstruere omskiftelige chirale motiver ved atomisk præcise positioner, såsom skabelsen af ​​homochirale domæner/klynger og tildelingen af ​​chirale arter nær nogle reaktive elementer. Disse kan give et fingerpeg om grundlæggende at forstå chirale selektive reaktioner fra et mikroskopisk synspunkt."

I fremtiden, forskerne planlægger at anvende deres teknik til at designe andre enheder i nanoskala.

"En af vores fremtidige planer er at udforske andre nye funktionaliteter skjult i flere klynger, " sagde Inami. "Vores teknik til at konstruere atomisk definerede klynger er bredt anvendelig til forskellige elementer. Dette motiverer os til at skabe en række forskellige klynger med forskellige funktionaliteter og systematisk integrere dem i ønskede nanoskalaregioner. Vi mener, at dette åbner op for ny nanofabrikation for at opnå integreret elektronik på atomare skala."

© 2015 Phys.org