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Rechnen mit Molekülen

Von Rainer Scharf

Dominosteine der Reihe nach umstürzen zu lassen, galt bisher als Spielerei. Doch jetzt hat man bei IBM mit dem "Dominoeffekt" Molekülreihen in Bewegung versetzt und damit einfache Berechnungen ausgeführt.

Wie Don Eigler und seine Kollegen vom Almaden Research Center in San Jose in der aktuellen Online-Ausgabe von Science berichten, haben sie mit CO-Molekülen auf Kupferoberflächen Schaltungen aufgebaut, die die logischen Funktionen AND und OR ausführen können. Dazu wurden die Moleküle mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu komplexen Mustern von bizarrer Schönheit angeordnet. Mit der Spitze wurde dann auch der Dominoeffekt ausgelöst.

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Ein Schaltelement aus 541 CO-Molekülen. Die drei Eingangssignale X, Y und Z werden zu drei verschiedenen Ausgangssignalen verarbeitet (. steht für AND und + steht für OR). (Bild: © Science)

Im Gegensatz zu Dominosteinen fielen die CO-Moleküle nicht um, wenn sie von einem Nachbarn angestoßen wurden, sondern sie bewegten sich horizontal. Auf der extrem reinen Kupferoberfläche standen die CO-Moleküle senkrecht, wobei das Kohlenstoffatom direkt auf einem der Kupferatome saß. Ein "Dominostein" bestand aus drei CO-Molekülen, die auf benachbarten Kupferatomen saßen. Dabei konnten die CO-Moleküle eine stabile oder eine instabile Konfiguration bilden, je nachdem ob sie sich zu einem Dreieck oder winkelförmig anordneten. Kam ein weiteres Molekül dem Winkel zu nahe, so sprang dessen mittleres CO-Molekül von einen Gitterplatz zu nächsten und es entstand ein Moleküldreieck: Der molekulare Dominostein war umgefallen.

Bei sehr tiefen Temperaturen sprangen die CO-Moleküle übrigens nicht, sondern sie tunnelten quantenmechanisch von einem Platz zum nächsten. Dies schließen die Forscher aus Experimenten mit CO-Molekülen, die statt des normalen Kohlenstoffs ein schweres C-13-Isotop enthielten. Die schweren Moleküle kamen bei Temperaturen unterhalb von 6 Kelvin wesentlich langsamer voran als die normalen Moleküle. Doch ganz gleich ob die Moleküle nun tunnelten oder hüpften: Wenn man die winkelförmigen Dreiergruppen nebeneinander anordnete und eine anstieß, so gingen sie der Reihe nach von der instabilen in die stabile Konfiguration über - wie umstürzenden Dominosteine.

Eine solche Molekülkaskade kann eine Information von einem Bit übertragen, wobei "0" für den Anfangszustand und "1" für den Endzustand steht. Doch mit dem molekularen Dominospiel lassen sich auch logische Elemente bauen, wie Eigler und seine Kollegen eindrucksvoll zeigen. Dazu haben sie mehrere hundert CO-Moleküle zu Mustern platziert, bei denen mehrere Molekülkaskaden zusammenliefen und sich wieder trennten. So konnten sie logische AND- und OR-Gatter und sogar noch kompliziertere Schaltungen verwirklichen. Die molekularen Schaltelemente arbeiteten zwar viel langsamer als entsprechende Halbleiterbauelemente. Doch bei der Miniaturisierung haben sie die Nase vorn: Sie sind knapp tausendmal kleiner. 

Quelle
A. J. Heinrich et al.: Molecule Cascades. Science 298, 138 (2002)
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/298/5597/1381

Kontakt
Andreas J. Heinrich: heinrich@almaden.ibm.com

Weitere Informationen
http://www.research.ibm.com/resources/news/20021024_cascade.shtml

pro-physik.de v. 25.10.2002

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