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  近日,IBM公司的科学家们在美国《科学》杂志宣布了两项原子尺度的科学突破:第一项是在了解单个原子保持一定的磁方向、从而使其具备适合未来数据存储应用的能力方面所迈出的重要一步;第二项是一个分子内不同原子之间及不同分子彼此之间的一个逻辑开关,它们是分子计算机的潜在构造单元。这两项重大突破为研制原子尺度的结构和装置奠定了基础。[详细]

[纳米的由来] 诺贝尔奖得主物理学家理查德·费曼1959年曾经预言,说人类可以用很小的机器制造出更小的机器,最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装,制造出最小的人工机器来。可以说这是纳米技术的最早的动意。
[纳米的含义] 纳米是一个空间尺度的单位。1个纳米是千分之一微米是几个原子排列起来的长度,是双链DNA分子的半径大小,是人类头发丝的十万分之一粗细。纳米技术是指在1-100纳米这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术。
[纳米的趣闻] 早在中国古代,安徽出的墨,其颗粒就可以是纳米级的,非常非常细,从烟道里扫出来后一遍遍地筛,研制出来的墨非常均匀、饱满,写字非常好,这实际就是纳米颗粒。
·微观世界的科学:了解原子的磁性
在第一篇研究报告中,美国加州圣何塞市IBM公司阿尔马登研究中心的科学家们在探索单个原子“磁各向异性”特性方面取得了重大科学进展。他们用IBM低温扫描隧道显微镜(STM)对单个铁原子进行控制并观察将他们以原子等级的精度排列在一个特制的铜表面上的情况。在此基础上,他们确定了各个铁原子的磁各向异性的取向和强度。 详细
·超小型装置: 单分子逻辑开关
IBM公司的研究人员能够利用萘酞菁(naphthalocyanine)有机分子内的两个氢原子将单独一个分子打开和关闭。这种分子开关的出现使得制造尺寸超小、但是速度堪比超级计算机的芯片成为可能;甚至还有可能产生只有一丁点灰尘那么大或可以放到针尖上的计算机芯片。 详细

IBM研究员演示单分子逻辑开关

左图所示为整个开关的过程,两个氢原子位于分子中央的一个空洞内。当电压脉冲注入时,两个氢原子变换位置,如左图所示。开关不会改变任何中心空洞外部的分子结构。

IBM打开微观科学世界

左图为在IBM苏黎世研究实验室工作的两位诺贝尔奖得主Heinrich Rohrer(左)和Gerd Binning(右)与第一代扫描隧道显微镜(STM)。Rohrer 和Binnig因扫描隧道显微镜的研发而获诺贝尔物理学奖。扫描隧道显微镜为世界各地的科学家们提供了一种专门的工具,首次使他们在原子层面进行挖掘以及控制材料,这便实现了新型设备和结构自“下”而上的建立。

IBM研究员演示单分子“逻辑开关”

目前的图象为扫描隧道显微镜观察到的萘酞菁分子在“开”和“关”下的两种状态。这些图象显示了分子在“开”和“关”状态下电活动的稳定性和精确的对称性。

IBM纳米技术领先的25年

IBM的扫描隧道显微镜在1981年首次揭露了表面硅原子的变化,图示为经过电脑处理放大的图像。大概在25年后,IBM科学家继续在原子标度方面开辟新的科学里程碑,它可以作为超微、纳米级结构单元,从而转化计算,或研发出前所未有的新设备。

IBM纳米技术的突破

IBM单原子数据存储的构造单元:此图释为一个铁原子的优先磁取向排列在一个专门的铜表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以确定存储数据时的原子适用性。当一个原子的多个磁自旋点在一个方向时,它可以代表“1”,而在另一个方向时,则代表“0”,这表明单原子可以适用于比特这样的1或0的二进制值运算方法,并把信息存入计算装置。这即是原子存储的一个潜在构造单元。

IBM单分子逻辑开关

此三维图示为被低温扫描隧道显微镜尖端探测到的两个萘酞菁分子的一个分子逻辑门。通过引导一个电压脉冲通过分子的上下两个尖端,在邻近的分子(分子中心的白色物体)内的两个氢原子改变位置,靠电力控制整个分子的开关。这就构成了一个基础逻辑门,它也是电脑芯片的基本组成部分,它可以由分子组件作为计算机的结构单元。

IBM扫描隧道显微镜
IBM研究员Cyrus Hirjibehedin的讲话片段
IBM研究员Cyrus Hirjibehedin的讲话片段 2
STM之旅
单磁原子指针的方向变动
萘酞菁分子内的开关过程
IBM 引领纳米技术二十年

1981年
IBM科学家首次发明“扫描隧道显微镜”。

1986年
IBM和斯坦福大学的科学家发明了“原子力显微镜”。

1986年
IBM科学家Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer因“扫描隧道显微镜”的发明而获得诺贝尔物理奖。

1988年
IBM科学家从由扫描隧道显微镜激发的纳米尺度的局部区域观测到了光子发射,从而使发光及荧光等现象能够在纳米尺度上进行研究。

1989年
IBM院士(IBM Fellow)Don Eigler成为第一个能够对单个原子表面进行操作的人,通过用一台“扫描隧道显微镜”操控35个氙原子的位置,拼写出了“I-B-M”3个字母。

1991年
IBM科学家演示了一个原子开关。

1993年
IBM和NEC的科学家分别发现了单壁碳纳米管及用金属催化剂生产它们的方法。

1996年
IBM科学家将STM操控技术首次延伸到了在室温下对单个分子进行定位。

1996年
IBM科学家用10个原子生成了世界上最小的算盘。

1998年
IBM科学家和合作伙伴发现了一个分子轮。

2000年
IBM及大学研究人员研制出了纳米机械传感器。

2001年
IBM使用“建设性破坏”方法通过对半导体纳米管和金属纳米管进行分离,生成纳米尺度的可用晶体管

2001年
IBM科学家推出世界上第一个单分子计算机电路。

2002年
IBM研究人员利用一个分子级联制成了世界上最小的运算/计算回路。

2003年
来自IBM、哥伦比亚大学和新奥尔良大学的科学家演示了磁性及半导体纳米颗粒的首次三维自组装。

2003年
IBM科学家演示了世界上最小的固态发光器件,说明碳纳米管可能适合光电子装置。

2004年
IBM科学家开发出一种新方法,被称为“自旋反转光谱”,用来研究原子尺度磁性结构的性质。

2004年
IBM科学家对单个原子的电荷状态实现了操控。

2004年
IBM科学家在纳米成像方面取得突破。

2005年
IBM研究人员利用纳米电子制造技术,制成一个微小的装置,该装置能够减慢光速。

2006年
IBM研究人员研制出第一个以一个“碳纳米管”分子为核心的完整的集成电路。

2006年
IBM科学家为探索并控制原子磁性开发出一种强大的新方法。

2006年
在一项对分子电子基础问题所进行的研究中,研究人员揭示了将金原子附着到一个分子上所产生的量子力学效应。

2007年
IBM演示了“自组装”方法首次在制造上的应用。

2007年
IBM研究人员开发出了磁共振成像(MRI)方法,来观测纳米尺度的物体。

网易科技出品 编辑:刘伟   
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