Bell Labs заглядывает в будущее микроэлектронных технологий

Вряд ли будет большой ошибкой утверждать, что база современных IT-технологий закладывалась всего в нескольких исследовательских центрах. Их названия уже давно стали легендарными -- IBM Research, Xerox PARC, Bell Labs... Именно о последнем, а точнее, о некоторых его новейших разработках и пойдет речь ниже: с начала нынешнего года специалисты этого центра получили ряд результатов, которые, как предполагается, станут фундаментом вычислительной техники будущего.

Анант Додабалапур (справа, вместе с Кристиной Клок и Женаном Бао), сотрудник Bell Labs, считает, что сверхпроводники найдут применение в квантовых компьютерах, что в конечном итоге должно привести к более производительным вычислениям

О первом (в целой цепочке) серьезном открытии ученых Bell Labs, привлекшем к себе широкое внимание, стало известно в марте: тогда специалистам этого исследовательского центра удалось получить первый в мире пластиковый сверхпроводник.
К подобному результату в Bell Labs шли около 20 лет. Основная проблема, связанная с улучшением проводимости пластиков, заключается в малой подвижности макромолекул вследствие высокой степени их переплетенности. В конце концов ее удалось решить за счет использования тонких полимерных пленок (в качестве материала ученые выбрали политиофен), размещавшихся на специально подготовленной поверхности, что позволило выстроить молекулы в необходимом порядке. Кроме того, для изменения проводящих свойств системы исследователи применили новую технику удаления электронов из молекул полимера, в отличие от традиционного подхода, предполагающего ввод специальных химических примесей.
Пока сверхпроводимости в пластике удалось достичь лишь ниже температуры 2,35 К, однако в Bell Labs весьма оптимистично смотрят на возможность ее повышения за счет изменения молекулярной структуры полимера.
Сообщение о следующем значительном открытии ученых появилось в августе, когда они смогли создать систему, переходящую в сверхпроводящее состояние при температуре 117 К. Этот результат был получен в ходе экспериментов с кристаллами, состоящими из так называемых фуллеренов. Данные физические объекты очень интересны сами по себе, поэтому несколько слов о них следует сказать отдельно.

Вот так выглядит молекула C60

Фуллерены -- это специфическая группа молекул, образованных из атомов углерода. Если можно так выразиться, "главным" фуллереном является молекула C60 (именно из таких состояла система, с которой проводились опыты в Bell Labs). Она один к одному похожа на футбольный мяч и представляет собой самую симметричную молекулу в природе. Достаточно долгое время считалось, что молекул со столь высокой симметрией не существует, однако американский ученый Р. Бакминстер Фуллер (R. Buckminster Fuller) все-таки смог выделить их из... обычной сажи. "Вторичные" фуллерены образованы большим числом молекул и более вытянуты, тоже напоминая мяч, но уже регбийный.
Добиться повышения температуры перехода "фуллеренового" кристалла в сверхпроводящее состояние специалистам удалось за счет ввода в него хлороформа и бромоформа, "растянувших" решетку и уменьшивших взаимодействие между молекулами в ее узлах.
На сегодняшний день известно только одно вещество, проявляющее сверхпроводящие свойства при аналогичных и более высоких температурах, -- оксид меди, уже даже нашедший в ряде областей коммерческое применение. Но, во-первых, фуллереновые проводники потенциально гораздо дешевле, а во-вторых, как отмечают исследователи, физика процесса перехода оксида меди в сверхпроводящее состояние еще не до конца изучена, что накладывает на его использование дополнительные ограничения.
Сразу довольно сложно себе представить, в какой практической сфере могут оказаться полезными два описанных открытия. Однако многие специалисты подчеркивают, что они -- значительный шаг вперед к "сверхпроводящей" электронике будущего. Высказываются также предположения, что результаты, полученные в Bell Labs, помогут существенно приблизить создание квантовых вычислительных систем.

Схема "мономолекулярного" транзистора

В то же время значимость самого "свежего" открытия Bell Labs сможет оценить даже тот, кто не очень хорошо знаком с микроэлектроникой: 17 октября ученые центра сообщили о создании транзистора, в котором длина канала (являющаяся одним из основных факторов, влияющих на быстродействие) определяется размером одной молекулы и составляет 1--2 нм -- это приблизительно в 10 раз меньше максимального уровня детализации, достигнутого на текущий момент с помощью техники литографии.
Основой данной разработки послужил органический полупроводник тиол. В транзисторе концы его молекул "присоединены" к золотым электродам, выполняющим роль истока и стока. По словам ученых, главной проблемой для них было размещение элементов транзистора в соответствии с требуемой схемой. Для ее решения они применили метод химической самосборки: молекулы полупроводника сами находили первый электрод и присоединялись к нему, после чего второй электрод "накладывался" сверху. Еще одной особенностью подхода, предложенного Bell Labs, которая относится уже к топологии микросхем, стало то, что в его рамках каждый электрод используется большим числом транзисторов. Ну и, естественно, нельзя не отметить, что технология самосборки является относительно простой и недорогой.
Напомним, что в августе другой ведущий исследовательский центр -- IBM Research -- объявил о разработке мономолекулярной логической схемы. Однако специалисты Голубого Гиганта главную ставку делают на углеродные нанотрубки ("Компьютерное Обозрение", # 17, 34; 2001)). Тем не менее все сходятся во мнении, что огромное значение для развития полупроводниковой индустрии имеют оба подхода.

Алексей Гвозденко

Компьютерное Обозрение #43

7 - 13 ноября 2001

Недавно открытый сверхпроводящий пластик мог бы стать относительно недорогим и простым в производстве дополнением к уже существующим сверхпроводникам. Но, к сожалению, по мнению экспертов, наладить выпуск подобных материалов удастся еще не скоро.
«Хочется верить, что наступит день, когда пластиковый сверхпроводник, полученный исследователями Bell Labs, найдет применение в телекоммуникационном оборудовании, в коммунальных службах, на транспорте, в квантовых вычислениях, в сверхпроводящих электронных устройствах, — заметил директор Центра исследований сверхпроводимости Университета штата Мэриленд Ричард Грин. — Сверхпроводники, изготавливаемые на основе органических полимеров (например, из пластика), обещают быть дешевле в производстве и проще в использовании по сравнению с существующими сверхпроводниками, которые изготавливаются из чистых металлов и керамики».
«Это первый пример сверхпроводимости в данном классе материалов, — подчеркнул нобелевский лауреат и профессор Калифорнийского университета Алан Хигер. — Теперь, когда у нас уже имеется эффективно действующий опытный образец и появились первые достижения, можно попытаться понять, что нужно сделать на молекулярном уровне для увеличения показателей проводимости».
«Нынешний прорыв связан с преодолением целого ряда очень сложных физических и технологических барьеров», — отметил Грин.
Сверхпроводниками называются материалы, коэффициент сопротивления которых при сверхнизких температурах падает практически до нуля. Когда по сверхпроводнику идет ток, тепло не выделяется и не происходит никаких энергетических потерь.
Электрические провода, трансформаторы и двигатели, будучи сделаны из подобных материалов, обладали бы гораздо более высокой эффективностью по сравнению с другими проводниками электричества.

Очень холодное начало

Явление сверхпроводимости впервые было продемонстрировано в 1911 году голландским ученым Хейке Камерлингом Оннесом, охладившим ртуть при помощи жидкого гелия до 4°К (–269°C). Электрическое сопротивление металла оказалось практически равным нулю при температуре лишь несколько градусов выше абсолютного нуля.
В дальнейшем ученым удалось создать материалы, обладающие эффектом сверхпроводимости при температуре около 92°К. В качестве охлаждающего реагента использовался жидкий азот. Их коммерческая жизнеспособность оказалась гораздо выше, чем у материалов, охлаждаемых с помощью жидкого гелия.
Сегодня высокотемпературные сверхпроводники используются в целом ряде различных областей, начиная от исследовательских приборов, использующих явление магнитного резонанса, и заканчивая поездами на магнитной подвеске.
Сверхпроводящие материалы позволяют экономить электроэнергию на миллиарды долларов за счет использования новых линий высокого напряжения, проведения реакции ядерного синтеза, электрических генераторов и двигателей.
«Одним из будущих применений данной технологии являются квантовые компьютеры», — заметил сотрудник Bell Labs Анант Додабалапур, принимавший участие в проекте сверхпроводящего пластика.
В отличие от обычных основу квантовых компьютеров образуют логические системы, базирующиеся на обработке ячеек данных, которые могут представлять не только нули и единицы, но и их разнообразные «суперпозиции».
В результате скорость вычислений на определенном типе задач заметно возрастет. Ведь в современных логических схемах минимальным информационным элементом может быть либо ноль, либо единица.
«Все это ведет к новым методам построения электронных схем, — пояснил Додабалапур. — Весьма интересным представляется сочетание обычных и ‘квантовых’ вычислений с использованием полимерных материалов».
Прорыв в Bell Labs стал возможен благодаря двадцатилетним поискам органических материалов, обладающих свойством сверхпроводимости.
Одно из важных преимуществ органических полимеров над другими сверхпроводящими материалами заключается в том, что они гораздо более эластичны в сравнении с хрупкими металлами и керамикой. Их проще изготовить, они обходятся значительно дешевле.
Исследователям давно известна способность некоторых органических полимеров хорошо проводить электричество, но до последних месяцев создать сверхпроводник из пластика никому не удавалось. Основные трудности здесь обусловлены тем, что полимеры имеют молекулярную структуру, которая препятствует взаимодействию электронов, необходимому для сверхпроводимости.

Упорядоченные молекулы

Чтобы получить сверхпроводящий пластик, ученые из Bell Labs трансформировали его внутреннюю структуру. В результате молекулы полимера выстроились одна напротив другой. Вместо использования химических добавок, часто применяемых для изменения свойств электрической проводимости, ученые сделали ставку на новую технологию, позволяющую удалять электроны из материала, который называется политиофен.
«Но к коммерческому применению пластик будет готов еще не скоро, — подчеркнул Грин. — Дело в том, что температура, при которой политиофен стал сверхпроводником, была очень низкой — около 3°К. Охладить материал до такой температуры сейчас крайне сложно, поэтому речи о каком-либо коммерческом его использовании пока не идет».
Чтобы перевести свое открытие в практическую плоскость, ученым нужно обеспечить сверхпроводимость полимеров при гораздо более высоких температурах.
«Если сверхпроводник удастся получить при комнатной температуре, это действительно будет величайшим достижением, — заметил Грин. — Но такое, по всей видимости, произойдет не ранее чем через десять лет упорного труда».

Джайкумар Виджаян

24.09.2001

Ученые из Bell Labs создали первый в мире пластиковый сверхпроводник