Logisch schakelen met één enkel molecuul

Een voorbeeld is de ‘OR’, met twee ingangen. Is minimaal een van de twee ‘1′, dan is het uitgangssignaal ook 1, anders is het 0. Deze logische poorten zijn niet groter dan ongeveer 2 nanometer. Ze zijn gebaseerd op ‘enkel-elektron transistoren’ die zichzelf organiseren op een oppervlak. Moleculaire logica kan niet alleen de afmetingen op chips verder verkleinen en het energieverbruik verlagen, het is ook mogelijk om beter te benaderen hoe ons brein signalen verwerkt, aldus UT-hoogleraar Christian Nijhuis die erover publiceerde in Advanced Materials.

De moleculen zijn in staat, alle logische poorten (AND, XOR, OR, NAND, NOR, INT, en XNOR) te vormen. Die hebben allemaal twee ingangen en één uitgang. Of aan de uitgang een 1 of een 0 verschijnt, hangt af van de combinatie van ingangssignalen (00, 01, 10, 11) en de logische bewerking. In de huidige digitale elektronica zijn de afmetingen van zo’n logische poort al klein, ze bestaan gemiddeld uit drie transistoren die elk, in de nieuwste technologie, afmetingen hebben van bijvoorbeeld 5 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). De nieuwste smartphones hebben dus honderden miljoenen logische poorten aan boord. Enkel-elektron transistoren zijn niet alleen kleiner, ongeveer 2 nanometer, ze verbruiken ook minder energie. Dat zijn twee belangrijke ‘bottlenecks’ in de huidige ‘CMOS’-chips. Daar staat tegenover dat het fabricageproces van de huidige chips kan omgaan met extreme complexiteit.

Alle logische poorten, gerealiseerd in een molecuul (dit verbindt de twee gouden driehoekjes in de afbeelding, bovenaan)

Blokkade

De single electron logic calculators (SELC) zijn opgebouwd uit moleculen die aan beide kanten verbonden zijn met een gouden elektrode. Het laagje materiaal is één molecuul dik. De werking is onder meer gebaseerd op het quantumeffect dat ‘Coulomb-blokkade’ heet. Afhankelijk van de spanning, wordt het elektron tegengehouden of beweegt het door het molecuul. Het energieverbruik is daarmee minimaal, het effect is wordt gestuurd door spanningspulsen en niet door een elektrische stroom. In ons brein zien we dat ook: de stromen zijn minimaal, de besturing gebeurt via spanningspulsen. Het energieverbruik blijft daardoor laag, ook bij complexe taken.