Un nouveau type de commutateur moléculaire

Les scientifiques d'IBM ont créé un nouvel interrupteur moléculaire capable de s'allumer et de s'éteindre sans en altérer la forme. Bien qu'un tel commutateur soit encore à des années d'être utilisé dans des appareils fonctionnels, les scientifiques suggèrent qu'il montre un moyen potentiel de relier ces commutateurs moléculaires pour former des portes logiques moléculaires pour les futurs ordinateurs.

Commutateur moléculaire : La pointe d'un microscope à effet tunnel (représenté en argent) sonde un interrupteur moléculaire en forme de croix pour allumer et éteindre une molécule voisine. En induisant des tensions, la sonde fait basculer deux atomes d'hydrogène dans la molécule de naphtalocyanine d'une orientation à l'autre.

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont travaillé à l'utilisation de molécules individuelles comme commutateurs électroniques dans l'espoir qu'elles contribueront éventuellement à rendre les appareils électroniques encore plus petits et plus puissants. (Voir Molecular Computing .) Mais jusqu'à présent, de tels efforts ont impliqué des processus moléculaires qui déforment en quelque sorte la forme géométrique de la molécule, dit Peter Liljeroth , chercheur à Laboratoire de recherche IBM de Zurich , en Suisse.

Le problème est que la modification de la forme de la molécule rend difficile leur liaison entre elles en tant que commutateurs. Si un chercheur veut faire quelque chose de plus compliqué qu'un simple commutateur moléculaire, comme une porte logique, alors il ou elle doit être capable de les coupler ensemble, explique Liljeroth. Avoir un seul commutateur moléculaire ne va vraiment servir à rien.

Liljeroth et ses collègues exploitent les changements atomiques qui se produisent au centre d'une cage moléculaire, ce qui n'altère pas la structure globale de la molécule. Dans le dernier numéro de la revue La science , le groupe montre comment sa molécule peut être allumée et éteinte électriquement. Les chercheurs démontrent également comment trois de ces molécules peuvent fonctionner ensemble lorsqu'elles sont placées les unes à côté des autres. L'injection d'un courant dans une molécule changera l'état d'une autre, explique Liljeroth.

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• Regardez le commutateur moléculaire d'IBM en action.

Le rapport constitue une pièce exceptionnelle et remarquable de la science fondamentale, dit Fraser Stoddart , directeur du California Nanosystems Institute de l'Université de Californie à Los Angeles, qui travaille également sur la commutation moléculaire.

La molécule IBM est une naphtalocyanine, une classe de composés utilisés dans les peintures et l'électronique optique organique en raison de leur intense couleur bleu-violet. La structure de la molécule d'IBM forme une forme de croix qui contient deux atomes d'hydrogène opposés de chaque côté d'un vide carré central.

Lorsque les chercheurs ont placé la molécule sur un substrat ultrafin, ces atomes d'hydrogène opposés se sont retournés des côtés de ce quadrant vers le haut et le bas, ou vice versa, lorsqu'une tension suffisante était appliquée. Pourtant, quel que soit l'état dans lequel elle se trouve, la géométrie de la molécule reste constante.

Lorsqu'une tension inférieure est appliquée, il est possible de lire l'état du commutateur en mesurant le courant qui le traverse. Une basse tension ne la commute pas, nous pouvons donc lire l'état de la molécule, explique Liljeroth.

C'est de la belle science, dit Marc Reed , physicien à l'Université Yale, à New Haven, CT, qui étudie les dispositifs moléculaires. Le fait qu'ils aient ce changement réversible de la structure est très agréable.

La découverte d'IBM a été faite par accident. Ce que nous étudions en fait, c'est la vibration moléculaire causée par l'ajout d'électrons à la molécule, explique Liljeroth. Mais ce faisant, les chercheurs ont remarqué ce retournement des atomes d'hydrogène, une réaction moléculaire connue sous le nom de tautomérisation.

Pour changer la molécule, le groupe a utilisé un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à des températures extrêmement basses et sous vide. Cependant, la réaction est entraînée électriquement, bien qu'à des picoampères, de sorte que le STM n'est pas nécessaire pour que cette réaction ait lieu, explique Liljeroth. Mais la basse température pourrait être un obstacle majeur pour rendre le processus pratique.

Pour cette molécule particulière, la température devait être maintenue à seulement cinq degrés Kelvin pour que la réaction se produise de manière contrôlée. La réaction se produit toujours à température ambiante, explique Liljeroth. Mais à température ambiante, cela se produirait spontanément. Néanmoins, dit-il, le potentiel est là pour trouver de nouvelles molécules qui présentent ce comportement à des températures plus élevées dans l'espoir de construire à terme des dispositifs logiques.

Démontrer qu'un interrupteur moléculaire peut être activé et désactivé en appliquant un courant à une molécule voisine est un premier pas vers une telle logique. La capacité d'appliquer une tension à une molécule et de provoquer la tautomérisation d'une molécule voisine a des implications intéressantes pour les dispositifs logiques, explique Stoddart. Mais, dit-il, la contrainte de température reste un énorme défi.

Stoddart rejette également le rejet par le groupe IBM des commutateurs moléculaires qui changent de forme ; il soutient que ces molécules sont à un stade beaucoup plus avancé et peuvent fonctionner à température ambiante. Je trouve exaspérant que les scientifiques dans le domaine de l'électronique moléculaire continuent de mépriser injustement les recherches d'autres personnes qui sont beaucoup plus avancées sur le plan technologique que les leurs, et qui pourtant reposent également sur une base théorique et expérimentale très solide.

Yale's Reed est également sceptique quant aux implications pratiques de la découverte d'IBM. Toute discussion sur la transformation de cette réaction en un dispositif équivaut à une hyperbole excessive à ce stade, dit-il. C'est comme dire que nous avons découvert des semi-conducteurs en silicium, donc nous pouvons fabriquer un Pentium.

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