ＩＢＭ納米技術(shù)簡介

2007年9月1日，IBM公司的科學(xué)家們在美國《科學(xué)》雜志宣布了兩項(xiàng)原子尺度的科學(xué)突破：第一項(xiàng)是在了解單個(gè)原子保持一定的磁方向、從而使其具備適合未來數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用的能力方面所邁出的重要一步；第二項(xiàng)是一個(gè)分子內(nèi)不同原子之間及不同分子彼此之間的一個(gè)邏輯開關(guān)，它們是分子計(jì)算機(jī)的潛在構(gòu)造單元。這兩項(xiàng)重大突破為研制原子尺度的結(jié)構(gòu)和裝置奠定了基礎(chǔ)。

雖然這兩項(xiàng)突破性研究成果的最終應(yīng)用與實(shí)踐還將有很長的路要走，但它卻可以促進(jìn)IBM公司及其他研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家繼續(xù)推動納米領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，即探索如何利用只有幾個(gè)原子或分子的超小型部件來制造結(jié)構(gòu)和裝置。這樣的裝置在未來也許可以用作計(jì)算機(jī)芯片、存儲裝置和傳感器。

微觀世界的科學(xué)：了解原子的磁性

你能設(shè)想將3萬部電影或整個(gè)YouTube網(wǎng)站的內(nèi)容放進(jìn)iPod大小的裝置中馬？納米技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想。要讓納米技術(shù)發(fā)揮威力，就必需要了解并利用原子的特性；但是要處理大小只有一根頭發(fā)絲寬度的幾萬分之一的粒子卻并非易事。

在第一篇研究報(bào)告中，美國加州圣何塞市IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家們在探索單個(gè)原子“磁各向異性”特性方面取得了重大科學(xué)進(jìn)展。他們用IBM低溫掃描隧道顯微鏡（STM）對單個(gè)鐵原子進(jìn)行控制并觀察將他們以原子等級的精度排列在一個(gè)特制的銅表面上的情況。在此基礎(chǔ)上，他們確定了各個(gè)鐵原子的磁各向異性的取向和強(qiáng)度。在這一研究成果公布之前，人們一直無法測定單獨(dú)一個(gè)原子的“磁各向異性”，而原子的這一基本屬性可以決定其存儲信息的能力，因此具有非常重要的技術(shù)意義。

這一突破還可能導(dǎo)致體積非常小的新型結(jié)構(gòu)和裝置的問世，并可應(yīng)用于傳統(tǒng)計(jì)算之外的全新領(lǐng)域和學(xué)科。“IT行業(yè)今天所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何將數(shù)據(jù)存儲的數(shù)位盡可能的縮小，同時(shí)增加存儲容量，” IBM公司阿爾馬登研究中心負(fù)責(zé)科學(xué)技術(shù)工作的經(jīng)理Gian-Luca Bona說，“我們的研究工作處于最前沿領(lǐng)域，而且我們現(xiàn)在距離弄清怎樣在原子尺度上來存儲數(shù)據(jù)已經(jīng)更近一步了。了解原子的特定磁性能是尋找新的、更有效的數(shù)據(jù)存儲方式的基礎(chǔ)。”

超小型裝置: 單分子邏輯開關(guān)

在第二篇研究報(bào)告中，瑞士IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們描述了第一個(gè)單分子開關(guān)，它能夠在不破壞分子外框架的同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的操作。這是朝著制造比今天的計(jì)算機(jī)芯片和記憶裝置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的計(jì)算元件方向上所邁出的重要一步。

除了在一個(gè)分子內(nèi)進(jìn)行切換（開關(guān)）外，研究人員還演示了一個(gè)分子內(nèi)的原子如何與相鄰分子中的原子進(jìn)行切換，這實(shí)際上就構(gòu)成了一個(gè)基礎(chǔ)邏輯元件。這種切換之所以成為可能，部分原因是分子框架沒有被破壞。

計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)的開關(guān)與光開關(guān)的作用方式一樣，用來打開和關(guān)閉電子流并將它們放到一起，構(gòu)成邏輯門，即構(gòu)成計(jì)算機(jī)處理器的電路。開關(guān)尺寸越小，電路尺寸也就相應(yīng)的小，從而有可能將更多的電路集成到一個(gè)處理器上，同時(shí)還可以提高速度和性能。以前，IBM公司及其他機(jī)構(gòu)的研究人員曾經(jīng)嘗試過在單個(gè)分子內(nèi)進(jìn)行開關(guān)，但這些分子在開關(guān)時(shí)會改變形狀，從而不適合構(gòu)造計(jì)算機(jī)芯片或記憶元件的邏輯門。

傳統(tǒng)基于硅的CMOS芯片的開發(fā)正在接近其物理極限，因此目前IT行業(yè)正在探索新的、真正具有突破性的技術(shù)，以進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的性能。模塊化分子邏輯是一個(gè)可能的候選方案，雖然將其應(yīng)用于具體實(shí)踐仍然還需要幾年時(shí)間。

IBM單原子數(shù)據(jù)存儲的構(gòu)造單元：圖1釋為一個(gè)鐵原子的優(yōu)先磁取向排列在一個(gè)專門的銅表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以確定存儲數(shù)據(jù)時(shí)的原子適用性。當(dāng)一個(gè)原子的多個(gè)磁自旋點(diǎn)在一個(gè)方向時(shí)，它可以代表“1”，而在另一個(gè)方向時(shí)，則代表“0”，這表明單原子可以適用于比特這樣的1或0的二進(jìn)制值運(yùn)算方法，并把信息存入計(jì)算裝置。這即是原子存儲的一個(gè)潛在構(gòu)造單元。

此三維圖示（圖2）為被低溫掃描隧道顯微鏡尖端探測到的兩個(gè)萘酞菁分子的一個(gè)分子邏輯門。通過引導(dǎo)一個(gè)電壓脈沖通過分子的上下兩個(gè)尖端，在鄰近的分子（分子中心的白色物體）內(nèi)的兩個(gè)氫原子改變位置，靠電力控制整個(gè)分子的開關(guān)。這就構(gòu)成了一個(gè)基礎(chǔ)邏輯門，它也是電腦芯片的基本組成部分，它可以由分子組件作為計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)單元。

IBM單原子數(shù)據(jù)存儲的構(gòu)造單元：圖3釋為一個(gè)鐵原子的優(yōu)先磁取向排列在一個(gè)專門的銅表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以確定存儲數(shù)據(jù)時(shí)的原子適用性。當(dāng)一個(gè)原子的多個(gè)磁自旋點(diǎn)在一個(gè)方向時(shí)，它可以代表“1”，而在另一個(gè)方向時(shí)，則代表“0”，這表明單原子可以適用于比特這樣的1或0的二進(jìn)制值運(yùn)算方法，并把信息存入計(jì)算裝置。這即是原子存儲的一個(gè)潛在構(gòu)造單元。

即使當(dāng)今存儲密度最高的硬盤，要想保存一比特的信息也需要大約100萬個(gè)磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已經(jīng)成功地在一個(gè)單獨(dú)的原子上保存了一比特信息。 

與此同時(shí)，IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室則拿出了分子開關(guān)，有望取代當(dāng)今的硅芯片技術(shù)制造超微型的處理器，一臺超級計(jì)算機(jī)的體積也許只會相當(dāng)于一粒塵埃。

IBM稱，單原子存儲技術(shù)實(shí)用后可以得到超高密度的存儲設(shè)備，至少相當(dāng)于目前硬盤的1000倍，可以在一部iPod的體積內(nèi)存儲3萬部全尺寸電影。

IBM Almaden研究中心掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)室主管Andreas Heinrich介紹說：“我們已經(jīng)可以測量出單個(gè)磁原子具有同樣的(磁各向異性)屬性，然后讓另一個(gè)原子靠近它，看看對(第一個(gè)原子的)磁各向異性有何影響，由此開發(fā)出一種具備超高存儲密度的新型材料。”

接下來，IBM將在室溫條件下測量不同類型原子的磁各向異性，以求獲得一種穩(wěn)定的高密度存儲材料，用于生產(chǎn)商用硬盤產(chǎn)品。IBM科學(xué)家Cyrus Hirjibehedin表示：“我們的下一步行動就是研究如何讓一種特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力維持磁性取向，并且能夠在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，然后我們就能使之飛快旋轉(zhuǎn)。我們希望能在未來幾年內(nèi)展示這種穩(wěn)定的媒介材料。”

納米技術(shù)主要在于研究分子結(jié)構(gòu)，將電子電路微小化，并改善半導(dǎo)體制程中各項(xiàng)設(shè)備所需的微小組件，為當(dāng)前科技界公認(rèn)最具前瞻性的研究領(lǐng)域。

IBM認(rèn)為，未來數(shù)10年，這些厚度僅有人類毛發(fā)萬分之一的納米管是最有可能取代硅元素，用于先進(jìn)芯片的制造。多年來，處理器、內(nèi)存和其它芯片的制造都以硅為基本原料，但預(yù)期10年內(nèi)就會因體積無法進(jìn)一步縮小而達(dá)到極限。

碳納米管是以石墨的平面組織卷成管狀而成。石墨原為低價(jià)平凡的材料，但若藉由先進(jìn)的技術(shù)予以加工，即搖身一變成為納米技術(shù)的新寵，而且價(jià)值非凡。

由于納米原料能為處理器提供較小且更多的導(dǎo)電區(qū)塊，許多研發(fā)人員將之視為半導(dǎo)體革新的關(guān)鍵。

雖然這兩項(xiàng)突破性研究成果的最終應(yīng)用與實(shí)踐還將有很長的路要走，但它卻可以促進(jìn)IBM公司及其他研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家繼續(xù)推動納米領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。