A Tokiói Egyetem kutatóinak vezetésével zajló kísérlet során a tudósok felfedezték, hogy egyetlen molekulából is lehetséges egészen apró kapcsolót készíteni, ami az elektronok pályáját módosítja, így akár tranzisztorként is lehetne alkalmazni számítógépekben. A vizsgálatban használt molekulát a fullerének egy fajtája képviselte - ezek olyan szénmolekulák, amelyek meghatározott, páros számú szénatomból épülnek fel, zárt, gömbszerű szerkezetet létrehozva. A fullerének leggyakrabban használt változata 60 szénatomból áll és alakja egy focilabdához hasonló az atomok tökéletesen rendezett kötései miatt, amelyek öt-, és hatszögeket alkotnak.

A fulleréneket a Földön mesterségesen, magas hőmérsékleten állítják elő laboratóriumokban, de az űrben természetes módon keletkeznek és szabályos formájuk mellett másik különleges tulajdonságukat az adja, hogy az elektronok felhőként veszik körbe őket. Az elektronokat a 60 szénatomos buckminsterfulleréntől igen nehéz elválasztani, emiatt a molekula szobahőmérsékleten nem vezeti az áramot, hanem szigetelőként funkcionál.

A vizsgálatok során azonban megfigyelték, hogy a fullerének az őket erő intenzív hatásra reagálva nem csak kibocsátják bizonyos elektronjaikat, hanem azok pályájának irányát is meghatározzák. A kutatók a vonatsínek analógiájával illusztrálták a jelenséget: ahogy a vonatokat is másik sínpárra lehet terelni a váltókkal, úgy a fullerén molekula is más útra tereli a kirepülő elektront, amennyiben rendelkezésre áll egy "váltóberendezés". Ennek szerepét lézersugár játsza, amelyet rendkívül gyors impulzusokkal küldenek a molekulába, femto-, vagy attoszekundumos sebességgel. Egy femtoszekundum rövidségét az SZTE TTIK Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének kutatóinak magyarázata szerint a következőképpen lehet értelmezni:

"Ahhoz, hogy érzékeltessük, hogy az 1 fs milyen rövid időtartam, tekintsük a világunkban ismert leggyorsabb mozgást, azaz a fény terjedését. A fény vákuumban 1 fs alatt pusztán csak 300 nm távolságra jut el.

A mindennapi életünket tekintve ez szinte felfoghatatlanul kicsi távolság. Egy kristály esetében azonban ez az érték néhány ezer elemi cella méretével egyezik meg." - írják a kutatók.

Az ultrarövid lézerimpulzusok segítségével előállított molekulányi kapcsoló a hagyományos tranzisztoroknál egymilliószor gyorsabban működik, így alkalmas lehet arra, hogy megreformálja a számítógépes architektúrákat és a jelenleginél sokkal nagyobb teljesítményű gépeket alkossanak belőlük, de ez egyelőre csak elméleti elképzelés, aminek egy-két akadály még az útjában áll. Ahhoz például, hogy a fullerén kapcsolók hálózatát valami működtesse, a lézerimpulzusokat kibocsátó berendezést is le kell kicsinyíteni megfelelő méretűre, ami egyelőre nem megoldott probléma.

"Egyszóval még sok évbe telhet, hogy láthassunk egy fullerén kapcsoló-alapú okostelefont."

- összegzik a Tokiói Egyetem jelentésében.

A számítógépes chipek viszont már jelenleg, fullerének alkalmazása nélkül is egyre apróbbak: a 2015-ben jelent meg az extrém ultraibolya litográfiával készített, hét nanométeres technológiájú lapka (hét nanométer az emberi hajszál százezred részének felel meg), és azóta egyre több cég halad a 7 nm-es gyártástechnológia alkalmazásának irányába. A legújabb változatok között pedig már évekkel ezelőtt megjelent a 2 nm-es chiptechnológia is: az IBM által 2021-ben bemutatott verzió 50 milliárd tranzisztort foglal magában 150 négyzetmilliméter méretű területen. Ezekből a tranzisztorokból egy-egy körülbelül öt atomnyi nagyságú.

(Fotó: Getty Images/Javier Zayas Photography, Tokiói Egyetem)