uredi› krajšaj› T:156 M:485 Z: [×]

Surovine iz laboratorija

Zakaj ne morem vseh 24 zvezkov Encyclopaedie Britannica zapisati na glavico bucike? Ko je legendarni fizik Richard Feynman med slavnim govorom decembra 1959 postavil to vprašanje, mu ni šlo za različico ilustrirane enciklopedije, ki bi jo lahko nosil s seboj. Poudariti je želel težave pri delu v izjemno majhnem merilu.

James Mitchell Crow, New Scientist

Ko se je vnemal za svojo tematiko, si je drznil predstavljati tudi, da bomo nekega dne gradili iz gradnikov, iz katerih je vsa znana snov v vesolju. »Ne bojim se razmišljati o končnem vprašanju, ali bomo nazadnje – v veličastni prihodnosti – atome lahko razporejali, kot bomo sami hoteli, in to prav same atome, torej najmanjše delce.«

V njegovi predstavi atomskega Legolanda bi lahko mešali najrazličnejše čudovite snovi. Lahko bi izdelali naslednika silicija, material, ki bi nam omogočal, da bi v drobcene naprave stlačili še več računalniške moči. Lahko bi izdelali snov, ki bi povečala učinkovitost naših nebogljenih sončnih celic ali bliskovito napolnila najboljšo baterijo, tako da bi lahko shranjevali vso pridobljeno čisto energijo. Morda bi lahko celo sprožali kemične reakcije, ki danes niso mogoče.

A kleč tega videnja je, da so atomi neverjetno neznatni, tako zelo, da bi za glavico bucike potrebovali več kot milijon atomov železa. Kljub temu so v drobovju orjaške naprave iz krtačenega jekla, ob kateri človek pomisli na znanstvenofantastične stroje, začeli potiskati naokrog na tisoče atomov osupljivo natančno. Zdaj moramo ugotoviti le še, kam jih spraviti.

Večino človeške zgodovine smo se znašli s tem, kar nam daje narava. Nato smo odkrili načine, kako to nadgraditi. Kovinam smo dodali kanec drugih elementov in dobili zlitine, kot je jeklo – materiale, iz katerih izdelujemo vse, od kuhinjske posode in pomivalnih korit do reaktivnega motorja. Uspelo nam je izdelati materiale, ki lahko nadzorujejo tok elektronov, in sestaviti mikročipe, ki poganjajo pametne telefone in prenosnike.

Večinoma smo kljub vsemu še vedno omejeni s tem, kar lahko izkopljemo iz tal, in to nas zavira. Naj še tako spretno kombiniramo sestavine, ki so nam na voljo, očitno ne znamo razvozlati obrazca za poceni termoelektrične materiale, ki bi na primer zmanjšali toplotne izgube. Komercialni sončni paneli še vedno iztisnejo komaj 20-odstotno učinkovitost, magneti za električne avtomobilske motorje pa so iz elementov, katerih dobava je vse prej kot stalna. Pri baterijah, to ve vsak, ki mu je telefon ugasnil v pomembnem trenutku, je še veliko manevrskega prostora za izboljšave.

»Vrstični tunelski mikroskopi delujejo pri zelo nizki temperaturi. To pomeni, da z njimi lahko ustvarimo in preiskujemo izjemno reaktivne molekule, ki bi drugače ostale skrivnostne«, pravi Leo Gross iz raziskovalnega centra IBM v Zürichu.

Za snovi z lastnostmi čisto po naših željah bi najprej morali iz ničle izdelati nove materiale – to pomeni, da bi jih morali sestaviti iz atomov, kot je Feynman sanjal pred skoraj 60 leti.

Richard Feynman je že pred skoraj 60 leti sanjal, da bi nove snovi z lastnostmi čisto po naših željah sestavljali iz posameznih atomov.

Razumevanje atoma

Dočakal je tudi začetke velike prihodnosti, ko sta na začetku 80. let Heinrich Rohrer in Gerd Binning v raziskovalnem laboratoriju IBM v Zürichu izumila zmogljivo novo vrsto mikroskopa. Z njim so izkoristili prednosti nenavadnega pojava kvantne mehanike, imenovanega kvantno tuneliranje, pri katerem delci počnejo marsikaj, česar naj bi v skladu s klasično fiziko načeloma ne zmogli. Rohrer in Binning sta opazila, da elektroni kot skozi tunel prehajajo čez vrzel, če sta za širino atoma proč od vzorca položila kovinsko iglo in priklopila napetost. S tem sta ustvarila tok tuneliranja, ki se spreminja eksponentno glede na velikost vrzeli, in to je ključno. Z odčitavanjem napetosti, medtem ko se konica igle počasi premika prek vzorca, je mogoče pregledati atom za atomom na površini.

Vrstično tunelsko mikroskopiranje je omogočilo, da smo prvič videli atome in ugledali svet neznatno majhnega. A vpogled vanj je bil šele začetek.

Kmalu je postalo jasno, da bi z mikroskopom lahko izbrali posamezne atome in jih premikali naokrog. Če konico spustimo dovolj nizko, šibke elektrostatične sile, imenovane van der Waalsove sile, atom zgrabijo od spodaj. To pomeni, da ga je mogoče povleči tako, da konico premikamo čez površje. Če konico odmaknemo, se atom ustavi v novem položaju.

Leta 1989 je ekipa v raziskovalnem laboratoriju IBM Research – Almaden v Kaliforniji prestavila 35 atomov ksenona na vnaprej določen položaj na površini iz niklja in ustvarila najmanjši logotip na svetu. Prikaz je bil navdihujoč, a od njega do manipuliranja z več tisoč atomi, kar bi bilo nujno za izdelavo novih materialov, je še dolga pot.

Kemiki so več kot 60 let poskušali izdelati eksotično molekulo, imenovano triangulen, plosk grozd ogljikovih atomov, ki spominjajo na droben trikotni kosem grafena. Grossu in njegovi ekipi je lani končno uspelo. S svojim vrstičnim tunelskim mikroskopom so selektivno odtrgali dva vodikova atoma iz predhodne molekule.

To so bile še pred poldrugim letom samo sanje. Poleti 2016 je Sander Otte s tehnične univerze v Delftu na Nizozemskem skupaj s kolegi naredil korak naprej – oziroma 59.965 korakov naprej, če smo natančni. Opazili so, da je ione klora laže potiskati sem in tja po bakreni podlagi, in napisali so algoritem za avtomatizacijo pregledovanja in prestavljanja 60.000 ionov. Rezultat je bila pomnilniška naprava, ki podatke shranjuje tako, da posamezne atome klora postavlja v vzorce, ki šifrirajo vsak košček. Ob povečanju na kvadratni centimeter bi na njihovem čipu za večkratno uporabo z enim kilobajtom pomnilnika lahko shranili okoli deset terabajtov podatkov, kar je neprimerno več od najboljših podobnih čipov, ki so v rabi danes.

Še pomembneje pa je, da je Ottejev dosežek načelni dokaz, da ni daleč dan, ko se bomo z atomi lahko igrali, kot nam bo srce poželelo. »Zamisel, da bi premikali atome, pomeni, da pravzaprav lahko začnemo razvijati takšne materiale, kot jih želimo, in ne bomo več omejeni s snovmi, ki nam jih je dala narava.«

Zaveda se obsega naloge. Med največjimi težavami je, da bi bilo treba za en sam gram materiala zbrati okoli 1023 atomov. Da bi ob pomoči mikroskopa skrbno vlekli vsakega posebej na svoje mesto, plast za plastjo, bi trajalo predolgo. Medtem ko ugotavljamo, kako učinkoviteje prestavljati atome, bi se torej lahko posvetili predvsem načinom rabe, kjer že selitev nekaj atomov prinese velike spremembe, je predlagal Otte.

Vzemimo za primer čipe v telefonu. Vsak ima milijarde tranzistorjev, ki delujejo kot pipa in odpirajo in zapirajo električni tok. Tranzistorji so danes tako majhni, da lahko puščajo, tudi ko so zaprti, zaradi česar se moč izgublja, in se obenem segrevajo, kar čipom nato onemogoča, da bi delali z največjo hitrostjo. Če bi lahko spremenili le peščico atomov, zaradi katerih tranzistor deluje, in preprečili puščanje, bi povečali učinkovitost celotne naprave. Pravzaprav bo to verjetno ključno za ohranitev Moorovega zakona o zmanjševanju tranzistorjev.

Vrstično tunelsko mikroskopiranje je omogočilo, da smo prvič videli atome in ugledali svet neznatno majhnega. A vpogled vanj je bil šele začetek.

A vrstično tunelno mikroskopiranje nemara ni idealna metoda za to vrsto rabe, saj tako lahko manipuliramo le z atomi na površju. To ni nič hudega, če bi sestavljali nov material od samega začetka, ni pa tako mogoče poseči na obstoječo ploščo polprevodnikov, da bi prestavljali atome. V pomoč bi lahko bila nova tehnika, vrstična transmisijska elektronska mikroskopija, s katero elektronski žarek, tanek kot en atom, izstrelijo skozi material, da dobijo sliko notranje strukture kristalov – in pri tem žarek včasih slučajno premakne posamezne atome. Več ekip se zdaj ukvarja s tem, kako ta učinek izrabiti za spreminjanje materialov z atomsko natančnostjo.

Četudi bi jim uspelo, jih čaka še hujša težava: niti sanja se nam ne, kam naj bi prestavili atome, ki jih premikamo. Če je cilj ustvariti material z določenimi lastnostmi, ne moremo preprosto naključno nizati atomov in upati na uspeh. Poleg tega ni časa za poskuse in napake, temveč je treba najti način za simuliranje novih materialov. Ravno za to si prizadeva Stefano Curtarolo v središču za genomiko materialov na univerzi Duke v Durhamu v Severni Karolini.

Razvil je hitro metodo za preizkušanje kemične stabilnosti in fizičnih lastnosti napovedanih razporeditev atomov. Z njo je mogoče hitro oceniti vsako kombinacijo, ne da bi se bilo treba podati v kemijski laboratorij. Pristop je že prinesel nekaj uspeha. Njegovi sodelavci so izdelali dva materiala, ki so ju Curtarolovi računalniki označili kot morebitna magneta – pokazalo se je, da sta res. To je bilo prvič, da je računalniško modeliranje napovedalo magnetizem novega materiala. Drugi strokovnjaki s tem pristopom iščejo boljše materiale za baterije in se usmerjajo k iskanju najboljše metode za sončne celice.

A niti Curtarolo še ne more opraviti simulacij na ravni posameznih atomov. Njegova nova magneta sta zmes treh kemičnih elementov, ki imajo atome razvrščene v enakomerno ponavljajočem se vzorcu, kar je za računalnik veliko lažje obvladljiva naloga. Za napovedovanje lastnosti po posameznih atomih v materialu pa je nujna velikanska računalniška moč, ki zaenkrat preprosto ni na voljo.

Atomi so neverjetno neznatni, tako zelo, da bi za glavico bucike potrebovali več kot milijon atomov železa.

Le sanje?

Bodo Feynmanove sanje ostale zgolj sanje? Morda pa ne. Pokazalo se je namreč, da bi se lahko oprli ravno na priprave za premikanje atomov, s katerimi bi morda lahko izdelali čudežne naprave. Te bi nam pomagale razviti napravo, ki bi zmogla intenzivne simulacije, nujne za iskanje prave razporeditve atomov.

Potrebujemo kvantni računalnik – napravo, ki izkoristi nenavadne lastnosti kvantne mehanike za doseganje takšne procesne moči, o kakršni klasični računalniki lahko samo sanjajo. Sam koncept je precej preprost. V navadnem računalniku je tranzistor v enem od dveh binarnih položajev, torej je vključen ali izključen. Kvantna lastnost, kot je vrtilna količina kvantnega bita oziroma kubita, pa je lahko gor, dol ali v superpoziciji obeh. Če to lastnost izkoristimo za računanje, dobimo napravo, ki lahko hkrati upošteva več morebitnih rešitev za težavo. Če povežemo dva kubita, je sistem lahko hkrati v štirih stanjih. Ob povezavi treh je možnih stanj osem. Procesna moč raste eksponentno.

Če jih povežemo na primer 300, dobimo sistem, ki bi bil močnejši od vseh računalnikov na svetu skupaj. Pri nekaterih izzivih, nenazadnje tudi pri simulaciji, kako veliko število atomov vzajemno vpliva drug na drugega, da nastane material z željenimi lastnosti, bi takšna moč pomenila ključni preboj. »Kvantni računalnik bi pomenil kvantni skok pri tem, kakšne simulacije so možne,« je poudaril Curtarolo.

Težava pa je, da še nimamo uporabnega kvantnega računalnika, pa ne zaradi pomanjkanja volje. Google razvija napravo, ki je zasnovana na aluminijastih vezjih, hlajenih, dokler ne postanejo superprevodni, Microsoft pa bi rad uporabil topološke kubite – nestabilne kvazidelce, stisnjene na dvodimenzionalnih površinah, ki bi ohranjali zahtevno kvantno stanje brez pretiranega napora.

Michelle Simmons in njena ekipa z univerze Novega Južnega Walesa v Avstraliji izkoriščajo ravno moč premikanja atomov. Z vrstičnim elektronskim mikroskopom previdno polagajo posamezne atome fosforja na silicij, pri čemer vsak atom fosforja tvori en kubit.

Michelle-Simmons.jpg; Michelle Simmons in njena ekipa z univerze Novega Južnega Walesa v Avstraliji izkoriščajo moč premikanja atomov. Z vrstičnim elektronskim mikroskopom previdno polagajo posamezne atome fosforja na silicij, pri čemer vsak atom fosforja tvori en kubit.

Za tak pristop so se odločili, ker industrija računalniških čipov silicij že dobro pozna. »Prepričani smo, da bo veliko lažje izdelati velik procesorski čip kot nekaj iztržiti iz bolj eksotičnih tehnologij,« je razložil član ekipe Andrew Dzurak. Morda imajo Avstralci prav, a bodo morali to še dokazati.

»Ko smo leta 2000 predstavili svojo zamisel, je veliko ljudi menilo, da sveta ni mogoče nadzorovati na tej ravni – takšne tehnologije preprosto ni bilo,« je povedala Simmonsova. Zato so jo morali izumiti. Prva težava je bila kočljiva. Fosfor in silicij tvorita tako močno vez, da atomov fosforja po podlagi iz silicija ni mogoče premikati z vrstičnim tunelskim mikroskopom. Ekipa je morala najti obvoz: silicij je preplastila z nelepljivo vodikovo površino, nato pa z mikroskopom odstranila le tiste vodikove atome, ki so prekrivali mesta, kamor so hoteli prestaviti atome fosforja. Šlo je kot po maslu.

»Smo tik pred tem, da bomo z atomi manipulirali po mili volji.«

Ko so premagali še nekaj drugih inženirskih težav, je Simmonsova s kolegi leta 2012 prikazala delujoč tranzistor, izdelan iz enega atoma fosforja v silicijevem vezju. Tri leta pozneje so prikazali dvokubitni sistem iz dveh atomov fosforja, povezanih v logična vrata. Zdaj imajo dovolj sredstev, da bi v nekaj letih predstavili desetkubitno napravo.

Cilj avstralske ekipe je izdelati kvantni računalnik z dih jemajočimi 1024 kubiti. Kot je pokazal Ottejev nanostopenjski pomnilniški čip, bi bilo mogoče z malo sreče premetati na desettisoče posameznih atomov, zato Simmonsova ne bi smela imeti prevelikih težav. Potem ko je obvladala manipuliranje s posameznimi atomi, je njen novi izziv razviti okoliško vezje, da bi nastala popolnoma funkcionalna kvantna naprava.

A tudi ko nam bodo kvantni računalniki izpljunili recepte za čudežne materiale, bo Otteju, Curtarolu in vsem drugim, ki želijo graditi od atoma naprej, ostal še zadnji izziv: prenašanje na večje merilo. Strategija, ki zveni kolikor toliko verjetna, bi bila, da bi uporabili več vrstičnih mikroskopov z več konicami, ki bi delali hkrati. V praksi pa je ravno občutljivost, ki omogoča, da s konicami lahko prestavljamo posamezne atome, razlog za preveliko ranljivost za vibracije. »Poznamo naprave s štirimi sondami, kar samo pomeni, da jih je štirikrat težje uporabljati kot tiste z eno sondo,« je priznal Otte. »Če bi to povečali za tisočkrat, bi bilo delo neizmerno zahtevno.«

A saj vrstičnih mikroskopov niti niso razvili za industrijsko obdelavo. »Morda bi se tega preprosto moralo lotiti nekaj ljudi z drugačno izobrazbo in filozofijo in na težavo pogledati z drugega zornega kota,« je pripomnil Otte. »Mislim, da bi se tako lahko porodila kaka nova zamisel.«

Copyright Reed Business Information, distribucija Tribune Content Agency.