近日，ibm公司的科學家們在美國《科學》雜誌宣布了兩項原子尺度的科學突破：第一項是在了解單個原子保持一定的磁方向、從而使其具備適合未來資料儲存應用的能力方面所邁出的重要一步；第二項是乙個分子內不同原子之間及不同分子彼此之間的乙個邏輯開關，它們是分子計算機的潛在構造單元。這兩項重大突破為研製原子尺度的結構和裝置奠定了基礎。
雖然這兩項突破性研究成果的最終應用與實踐還將有很長的路要走，但它卻可以促進ibm公司及其他研究機構的科學家繼續推動奈米領域技術的發展，即探索如何利用只有幾個原子或分子的超小型部件來製造結構和裝置。這樣的裝置在未來也許可以用作計算機晶元、儲存裝置和感測器。
微觀世界的科學：了解原子的磁性
你能設想將3萬部電影或整個youtube**的內容放進ipod大小的裝置中馬？奈米技術可以實現這個夢想。要讓奈米技術發揮威力，就必需要了解並利用原子的特性；但是要處理大小只有一根頭髮絲寬度的幾萬分之一的粒子卻並非易事。
在第一篇研究報告中，美國加州聖何塞市ibm公司阿爾馬登研究中心的科學家們在探索單個原子「磁各向異性」特性方面取得了重大科學進展。他們用ibm低溫掃瞄隧道顯微鏡（stm）對單個鐵原子進行控制並觀察將他們以原子等級的精度排列在乙個特製的銅表面上的情況。在此基礎上，他們確定了各個鐵原子的磁各向異性的取向和強度。在這一研究成果公布之前，人們一直無法測定單獨乙個原子的「磁各向異性」，而原子的這一基本屬性可以決定其儲存資訊的能力，因此具有非常重要的技術意義。ibm科學家cyrus hirjibeheden說：「長期以來我們一直試圖在極其微小的介質上儲存資訊。我們知道每個原子都具備一項最基本的特點，即起到微型磁鐵的效果。如果能在一段時間內穩定其磁性方向，那麼我們就能利用原子儲存資訊。這也是我們工作的難點。」
這一突破還可能導致體積非常小的新型結構和裝置的問世，並可應用於傳統計算之外的全新領域和學科。「it行業今天所面臨的主要挑戰之一是如何將資料儲存的數字盡可能的縮小，同時增加儲存容量，」 ibm公司阿爾馬登研究中心負責科學技術工作的經理gian-luca bona說，「我們的研究工作處於最前沿領域，而且我們現在距離弄清怎樣在原子尺度上來儲存資料已經更近一步了。了解原子的特定磁性能是尋找新的、更有效的資料儲存方式的基礎。」
超小型裝置: 單分子邏輯開關
在第二篇研究報告中，瑞士ibm蘇黎世研究實驗室的科學家們描述了第乙個單分子開關，它能夠在不破壞分子外框架的同時進行準確無誤的操作。這是朝著製造比今天的計算機晶元和記憶裝置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的計算元件方向上所邁出的重要一步。
除了在乙個分子內進行切換（開關）外，研究人員還演示了乙個分子內的原子如何與相鄰分子中的原子進行切換，這實際上就構成了乙個基礎邏輯元件。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。
計算機晶元內的開關與光開關的作用方式一樣，用來開啟和關閉電子流並將它們放到一起，構成邏輯門，即構成計算機處理器的電路。開關尺寸越小，電路尺寸也就相應的小，從而有可能將更多的電路整合到乙個處理器上，同時還可以提高速度和效能。以前，ibm公司及其他機構的研究人員曾經嘗試過在單個分子內進行開關，但這些分子在開關時會改變形狀，從而不適合構造計算機晶元或記憶元件的邏輯門。
今天，ibm公司的研究人員能夠利用萘酞菁（naphthalocyanine）有機分子內的兩個氫原子將單獨乙個分子開啟和關閉。這種分子開關的出現使得製造尺寸超小、但是速度堪比超級計算機的晶元成為可能；甚至還有可能產生只有一丁點灰塵那麼大或可以放到針尖上的計算機晶元。
傳統基於矽的cmos晶元的開發正在接近其物理極限，因此目前it行業正在探索新的、真正具有突破性的技術，以進一步提高計算機的效能。模組化分子邏輯是乙個可能的候選方案，雖然將其應用於具體實踐仍然還需要幾年時間。
ibm研究員演示單分子邏輯開關
左圖所示為整個開關的過程，兩個氫原子位於分子**的乙個空洞內。當電壓脈衝注入時，兩個氫原子變換位置，如左圖所示。開關不會改變任何中心空洞外部的分子結構。
ibm開啟微觀科學世界
左圖為在ibm蘇黎世研究實驗室工作的兩位諾貝爾獎得主heinrich rohrer(左)和gerd binning(右)與第一代掃瞄隧道顯微鏡（stm）。rohrer 和binnig因掃瞄隧道顯微鏡的研發而獲諾貝爾物理學獎。掃瞄隧道顯微鏡為世界各地的科學家們提供了一種專門的工具，首次使他們在原子層面進行挖掘以及控制材料，這便實現了新型裝置和結構自「下」而上的建立。
ibm研究員演示單分子「邏輯開關」
目前的圖象為掃瞄隧道顯微鏡觀察到的萘酞菁分子在「開」和「關」下的兩種狀態。這些圖象顯示了分子在「開」和「關」狀態下電活動的穩定性和精確的對稱性。
ibm奈米技術領先的25年
ibm的掃瞄隧道顯微鏡在2023年首次揭露了表面矽原子的變化，圖示為經過電腦處理放大的影象。大概在25年後，ibm科學家繼續在原子標度方面開闢新的科學里程碑，它可以作為超微、奈米級結構單元，從而轉化計算，或研發出前所未有的新裝置。
ibm奈米技術的突破
ibm單原子資料儲存的構造單元：此圖釋為乙個鐵原子的優先磁取向排列在乙個專門的銅表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以確定儲存資料時的原子適用性。當乙個原子的多個磁自旋點在乙個方向時，它可以代表「1」，而在另乙個方向時，則代表「0」，這表明單原子可以適用於位元這樣的1或0的二進位制值運算方法，並把資訊存入計算裝置。這即是原子儲存的乙個潛在構造單元。
ibm單分子邏輯開關
此三維圖示為被低溫掃瞄隧道顯微鏡尖端探測到的兩個萘酞菁分子的乙個分子邏輯門。通過引導乙個電壓脈衝通過分子的上下兩個尖端，在鄰近的分子（分子中心的白色物體）內的兩個氫原子改變位置，靠電力控制整個分子的開關。這就構成了乙個基礎邏輯門，它也是電腦晶元的基本組成部分，它可以由分子元件作為計算機的結構單元。
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