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超低耗能分子開關

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Mar 08, 2003

編輯 Tzu-Ming Lu 報導

歐洲的科學家利用原子力顯微鏡(AFM, atomic-force microscopy)和掃瞄式穿隧顯微鏡(STM, scanning-tunneling microscope),直接測量出一個分子開關切換一次只需要47zJ的能量,比目前固態元件開關所耗能量,低了四到五個數量級。

目前的固態元件製程雖已十分進步,但電晶體開關切換一次仍需約1fJ 的能量,在室溫的環境下,比熱力學的極限大上了五個數量級。在元件尺寸不斷變小、操作頻率愈來愈高的趨勢下,小小的晶片面積上要散掉的熱量不斷快速地成長。如何有效地移除這些廢熱以免妨礙元件的正常操作,已經成了令人頭痛的大問題,因此科學家轉為尋求工作原理完全不同的另一種元件。

研究人員在紫質(porphyrin)分子旁加上四個由苯環結構構成的”腳”,中間利用可自由旋轉的C-C單鍵鍵結。藉由C-C單鍵的旋轉,”腳“和紫質分子的平面會有垂直和平行兩種位能較低的穩定狀態;兩種狀態之間的切換,可作為分子開關之用。以往科學家曾利用NMR測量出“腳”本身在溶液中旋轉的能障為145zJ。Loppacher等人則利用AFM/STM設計實驗,可直接量測分子開關切換所需的能量。

研究人員利用AFM探針的尖端去推動分子開關的“腳”,將之由垂直態推到平行態,相當於將一開關從ON切換到OFF。而在推動“腳”的同時,STM利用探針尖端到測量物的穿隧電流大小,可以知道推動的距離。

藉由AFM探針尖端和“腳”之間的交互作用(包含short-range和long-range interactions),會使偵測訊號的頻率發生偏移,加上STM測量得到的穿隧電流,可以計算出每一點的力和距離。將其積分後,得到開關切換一次只需47zJ的能量,已經逼近熱力學上的極限。

熱力學的極限是由Landauer所證明:所有可逆的計算操作不耗費能量,而不可逆的計算操作所需能量的下限是kTln2。1973年Bennett則證明了所有的計算都可用可逆操作達成。在可逆單元計算的情況下,所需要的能量可先從電池消耗,再儲存回去。因此設計出可逆的操作單元,建造零耗能的計算機,將是下一個挑戰。

原始論文:
1) Ch. Loppacher et al. Direct Determination of the Energy Required to Operate a Single Molecule Switch. Phys. Rev. Lett. 90, 066107 (2003)
2) S. Lloyd. Ultimate physical limits to computation. NATURE 406 (6799): 1047-1054 AUG 31 2000

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Sep 11, 2007] 電場操控的有機分子開關
  • [Apr 13, 2007] 即時目睹穿隧效應
  • [Aug 06, 2003] 有機分子記憶體
  • [May 28, 2002] 奈米軌道–脂質的移動路徑
  • [Mar 08, 2002] 利用原子力顯微鏡發展奈米蛋白質陣列


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