Einzelmolekül-Schalter imitiert Transistor für ultrahochdichtes Computing

Forschende haben einen Einzelmolekül-Schalter entdeckt, der wie ein Transistor fungieren und binäre Informationen – die 1en und 0en klassischer Computertechnik – speichern kann. Das Molekül ist etwa fünf Quadratnanometer groß – mehr als eine Milliarde davon würden auf den Querschnitt eines menschlichen Haars passen. Die Forschenden glauben, dass solche Moleküle eine Informationsdichte von etwa 250 Terabit pro Quadratzoll bieten könnten – etwa das 100-fache der Speicherdichte aktueller Festplatten.

In der Studie können Moleküle eines organischen Salzes durch einen kleinen elektrischen Input so geschaltet werden, dass sie entweder hell oder dunkel erscheinen – was binäre Information liefert. Diese Information kann bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck geschrieben, gelesen und gelöscht werden. Das sind entscheidende Eigenschaften für praktische Anwendungen in Computerspeichern. Die meisten früheren Forschungen zu Molekülelektronik für ähnliche Anwendungen wurden im Vakuum und bei sehr niedrigen Temperaturen durchgeführt.

Anforderungen an molekularen Speicher

Ein Molekül muss mehrere Eigenschaften besitzen, um als molekularer Speicher nützlich zu sein. Neben der beidseitigen Schaltbarkeit unter Umgebungsbedingungen muss es lange in hellem und dunklem Zustand stabil sein und spontan hochgeordnete, nur ein Molekül dicke Schichten in einem Prozess namens Selbstorganisation bilden.

In Laborexperimenten nutzte das Team kleine elektrische Pulse in einem Rastertunnelmikroskop, um einzelne Moleküle von hell auf dunkel zu schalten. Sie konnten die Information anschließend per Knopfdruck lesen und löschen. Beim Schalten verändert der elektrische Puls die Art, wie Kation und Anion im organischen Salz gestapelt sind – diese Stapelung bewirkt, dass das Molekül hell oder dunkel erscheint. Neben dem Schalten selbst ist die spontane Ordnung der Moleküle entscheidend: Durch Selbstorganisation finden sie in eine hochgeordnete Struktur (einen zweidimensionalen Kristall) ohne teure Fertigungswerkzeuge, wie sie in der aktuellen Elektronik nötig sind.