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Molekulare Schaltkreise

Übertragung von Informationen durch Dominoeffekt

Von Rainer Scharf

Bei den Schaltvorgängen in heutigen Computerchips werden Elektronen bewegt, während die Atome und Moleküle in den Chips unbeweglich sind. Jetzt haben Forscher am Almaden Research Center von IBM in San Jose/Kalifornien, Schaltelemente hergestellt, die nach einem völlig neuen Prinzip funktionieren. Die Elemente verarbeiten Daten und führen Berechnungen aus, indem sie Reihen von Molekülen durch einen "Dominoeffekt" in Bewegung versetzen. Im Vergleich zu elektronischen Halbleiterbauelementen arbeiten die molekularen Schaltkreise recht langsam. Außerdem muß man eine Molekülreihe, die ein Bit übertragen hat und in den stabilen Endzustand übergegangen ist, mühsam Molekül für Molekül wieder in den instabilen Ausgangszustand zurückbringen. Dafür sind die molekularen Schaltkreise unübertroffen klein. Ein herkömmliches Halbleiterelement benötigt eine 260000mal so große Fläche.

Bei ihren Experimenten haben Andreas Heinrich und seine Kollegen Kohlenmonoxydmoleküle auf eine extrem reine Kupferoberfläche gebracht und mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu komplizierten Mustern angeordnet, wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten. Die Moleküle standen senkrecht auf der Oberfläche, wobei ihr Kohlenstoffatom direkt auf einem der Kupferatome saß. Wurde nun die Kupferoberfläche auf Temperaturen von einigen Kelvin abgekühlt, so blieben die Moleküle an ihren Plätzen und bewegten sich nicht.

Wurden drei Kohlenmonoxydmoleküle eng zusammengebracht, dann ordneten sie sich entweder zu einem gleichseitigen Dreieck an oder zu einem mit stumpfem Winkel. Während das gleichseitige Dreieck stabil war, erwies sich der Winkel als instabil. Sobald ihm ein zusätzliches Molekül zu nahe kam, sprang das mittlere der drei Moleküle von einen Gitterplatz zum nächsten, und es entstand ebenfalls ein stabiles gleichseitiges Moleküldreieck. Die drei Moleküle verhielten sich in ähnlicher Weise wie ein aufrecht stehender Dominostein, der umfällt, sobald man ihn anstößt.

Wie mit richtigen Dominosteinen konnten die Forscher auch mit ihren winkelförmigen Dreiergruppen einen Dominoeffekt erzeugen. Dazu ordneten sie die Molekülgruppen hintereinander in einer Reihe an. Gaben sie der letzten Gruppe mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops einen kleinen Stoß, so gingen alle Molekülgruppen der Reihe nach von der instabilen in die stabile Konfiguration über - wie eine Kette umstürzender Dominosteine.

Mit einer solchen Molekülkaskade läßt sich eine Information von einem Bit übertragen, wobei "0" für den instabilen Anfangszustand und "1" für den stabilen Endzustand steht. Davon ausgehend haben Heinrich und seine Kollegen mit ihrem molekularen Dominospiel komplizierte Schaltelemente gebaut. Dazu mußten sie einige hundert Moleküle zu Mustern anordnen, bei denen mehrere Molekülkaskaden zusammenliefen und sich wieder trennten. Außer einem sogenannten logischen "Und"- sowie einem "Oder"-Gatter mit zwei Eingängen und einem Ausgang haben die Forscher auch Schaltungen mit drei Ein- und Ausgängen gebaut, die aus bis zu 541 Molekülen bestanden. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 26.10.2002, Nr. 249 / Seite 32

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