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Allgemein

Die neue Welt der Moletronik

Der molekulare Computer wird die Leistung von Rechnern in bisher ungeahnte Dimensionen steigern.

Um zu erfahren, wie Computer in ein bis zwei Jahrzehnten aussehen, sollte man mit Chemikern sprechen. Denn in den letzten Monaten gelang der Nachweis, daß sich organische Moleküle als elektrische Schalter für Prozessoren und Speicher in Computern verwenden lassen. Solche molekularen Computer können bis zu 100 milliardenmal schneller sein als heutige Hochleistungsrechner, schätzt James R. Heath, Professor für Chemie an der University of California in Los Angeles (UCLA). Die Idee, elektrische Schaltungen aus Molekülen zu bauen, ist nicht neu. Ende der fünfziger Jahre investierte die US Air Force über vier Millionen Dollar in „molecular electronics“ oder „moletronics“. Da aber kurz zuvor die integrierte Schaltung, die Basis aller heutigen Computerbausteine, entwickelt worden war, stellte man das Projekt wieder ein. In den letzten Jahren hat die Moletronik jedoch eine Renaissance erlebt. Um immer schnellere integrierte Schaltungen zu bekommen, müssen heute die Schalter immer kleiner werden, damit die elektrischen Signale kürzere Distanzen zu überwinden haben. Dabei wird die Computerindustrie jedoch bald an Grenzen stoßen. Mindestens vier Schichten von Silizium-Atomen sind nämlich nötig, um elektrisch leitende Bereiche voneinander zu isolieren und Kurzschlüsse zu vermeiden, wie Wissenschaftler der US-amerikanischen Bell Labs im Sommer letzten Jahres berichteten. Die technische Konsequenz: Transistoren können nicht kleiner werden als 50 Nanometer (1 Nanometer = 10–9 Meter = 1 millionstel Millimeter). Hält das gegenwärtige Entwicklungstempo an, dürfte diese Grenze bereits in den nächsten 10 bis 20 Jahren erreicht sein. In dieser Situation sind Schalter aus organischen Molekülen wieder interessant geworden. Im Sommer 1999 erzielten die Moletroniker ihren ersten großen Erfolg. Heath‘ Arbeitsgruppe und den Bell Labors gelang es, aus der V-förmigen organischen Verbindung Rotaxan einen elektrischen Schalter zu bauen, indem sie Rotaxan-Moleküle zwischen zwei Elektroden schichteten. Die Verbindung leitet Strom, weil sie es den Elektronen erlaubt, von einer Elektrode zur anderen zu wechseln. Kehrt man die Stromrichtung kurzfristig um, oxidiert das Molekül und wird zum elektrischen Isolator. Im Herbst verwendeten die Forscher Rotaxan bereits zum Bau einfacher logischer Schaltungen (UND, ODER und NICHT), Grundlage aller Computerchips. „Das war der erste Schritt in Richtung molekulare Computer“, erklärte Heath damals. Allerdings mußte noch eine bessere Verbindung gefunden werden, denn Rotaxan hat einen großen Nachteil: Einmal abgeschaltet, läßt es sich nicht wieder aktivieren. Schon im November hatten Wissenschaftler von der Yale und der Rice University die gesuchte Verbindung gefunden: ein kreuzförmiges organisches Molekül – ein Aromat mit drei Benzolringen und je einer Nitro-2-Aminogruppe am zentralen Ring. „Es schaltet ein oder aus, indem man die Spannung erhöht oder erniedrigt“, sagt Mark A. Reed, Professor an der Yale University (New Haven, Connecticut). Die Forscher schichteten das Material zwischen zwei Elektroden und erzeugten so Schalter von weniger als 100 Nanometer Durchmesser. Gegenüber Transistoren haben sie den Vorteil, daß sie im Prinzip auf wenige Nanometer verkleinert werden können, weniger Strom verbrauchen, wodurch sie kühler bleiben, und zur Signalübertragung und Steuerung nur zwei Elektroden benötigen statt vier wie ein Transistor. Außerdem wären sie erheblich einfacher und kostengünstiger zu produzieren als Siliziumhalbleiter, da sich die organischen Moleküle aus den notwendigen Grundstoffen von selbst zwischen Metalloberflächen bilden. Obwohl Experten von den bisherigen Ergebnissen beeindruckt sind, glauben sie nicht, daß die Moleküle schon in naher Zukunft das Silizium ersetzen werden. „Da fließt noch viel Wasser den Rhein hinunter“, sagt Prof. Max Schulz vom Institut für angewandte Physik der Universität Erlangen. Erst einmal müsse die Computerindustrie von den Vorteilen der neuen Technik überzeugt werden. Außerdem habe Silizium einen Forschungsvorsprung von über 40 Jahren, während die Moletronik noch in den Anfängen steckt. „Wir haben noch eine ganze Menge an Grundlagenforschung nötig“, stimmt Reed ihm zu.

Holger Breithaupt

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