Princip spínače na bázi vodíku (nahoře). Dole je proužek se zlatem, který byl použit v pokusu. Fotografie byla pořízena elektronovým mikroskopem. (Kredit: University of Groningen)

Nizozemský fyzik Marius Trouwborst pracoval na své doktorandské práci, která byla zaměřena na procházení elektrického proudu přes atomy a molekuly. Prakticky šlo o snahu miniaturizovat přístroje, dělat je dostupnější, rychlejší a levnější. V uplynulých čtyřiceti letech se počet tranzistorů vměstnaných na počítačový čip dařilo zdvojnásobovat každé dva roky. Odhaduje se, že během příštích deseti let ale dosáhneme na fyzikální strop těchto možností. Jednoduše proto, že funkce tranzistorů by další jejich miniaturizací utrpěla, což by vedlo k jejich nespolehlivosti. Pokud tedy budeme chtít zachovat nastoupený trend, musíme přijít s novými nápady. Jednou ze snah je využívat v elektronice jednotlivé atomy a molekuly.  Trouwborstovi  se při jeho pokusech v laboratoři podařilo přijít na nový způsob organizace atomů zlata, jež umožňuje výrobu velmi malého mechanického spínače. Kontakt v něm je zprostředkován jednotlivými atomy. Jde tedy o vypínač na nejzassší hranici možností miniaturizace.

Zvětšit obrázek

Dvě metalické elektrody se sub-atomárním rozpojením.

Výroba nejmenšího vypínače

Základem technologie MCBJ je substrát tvořený bronzem s příměsí fosforu. Tato látka je volena pro určitý stupeň pružnosti. Na povrchu takové základny se nanese tenká izolační vrstva z umělé hmoty (polyimid), na tu pak teprve tenoučký zlatý film (120 nm). Proužek zlata je vytvořen elektronovou litografií do tvaru špiček dotýkajících se velmi úzkým hrdlem (okolo 100 nm). Pod tímto zúžením je tenká vrstva umělé hmoty odleptána, aby zlatý proužek visel volně v prostoru. Konečná fáze spočívá v ohýbání bronzové základny. Tlak na základnu s cílem jí prohnout se provádí tyčinkou. To umožňuje postupovat s přesností mikrometru.  Nejužší místo hrdla tvořeného zlatým proužkem se začne protahovat „jako žvýkačka“ až do bodu kdy se přetrhne. V tomto bodě se vyvíjený tlak na ohyb základny poněkud sníží. Tím lze docílit toho, že se atomy zlata začnou znovu téměř dotýkat jeden druhého. Přibližování elektrod lze takto docílit s přesností stokrát větší, než-li je velikost jednoho atomu.
Vzniklé hroty elektrod mají tvar „pyramid z kulečníkových koulí“, přičemž špičku takové pyramidy tvoří jediný atom. Když se oba konce k sobě dostanou na vzdálenost 0,1 nanometru, začne zařízení fungovat jako miniaturní spínač. Vrcholy zlatých pyramid jsou totiž pastí pro jiné molekuly. Chycené molekuly v takovém obvodu získávají zajímavé vlastnosti a prapodivně se chovají v elektrickém poli. Když se například zvýší napětí, chycená molekula vodíku, začne náhle mezi oběma zlatými hroty divoce vibrovat. V tom okamžiku odpor takového obvodu prudce klesne. Tak se stalo, že mladík přišel k objevu nejmenšího vypínače na světě, jehož „zapnuto“  a „vypnuto“ závisí pouze od toho, zda necháme  molekulu vodíku mezi dvěma zlatými hroty třepat, či ne.

I když se nyní ví, že propustnost takového obvodu souvisí s onou popsanou vibrací molekul, skutečná příčina změny vlastností takového spoje, známa není. A i když tomu zatím zcela nerozumíme, vše nasvědčuje tomu, že tu máme novou technologii, která by si mohla rychle najít místo v další miniaturizaci elektroniky.

Vlevo je mikrofotografie obou elektrod. Vpravo je zvětšená centrální část.

Pramen: University of Groningen.

http://www.rug.nl/