近日，IBM公司的科學(xué)家們在美國《科學(xué)》雜志宣布了兩項原子尺度的科學(xué)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數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用的能力方面所邁出的重要一步；第二項是一個分子內(nèi)不同原子之間及不同分子彼此之間的一個邏輯開關(guān)，它們是分子計算機的潛在構(gòu)造單元。這兩項重大突破為研制原子尺度的結(jié)構(gòu)和裝置奠定了基礎(chǔ)。

雖然這兩項突破性研究成果的最終應(yīng)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(gòu)的科學(xué)家繼續(xù)推動納米領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，即探索如何利用只有幾個原子或分子的超小型部件來制造結(jié)構(gòu)和裝置。這樣的裝置在未來也許可以用作計算機芯片、存儲裝置和傳感器。

微觀世界的科學(xué)：了解原子的磁性

你能設(shè)想將3萬部電影或整個YouTube網(wǎng)站的內(nèi)容放進iPod大小的裝置中馬？納米技術(shù)可以實現(xiàn)這個夢想。要讓納米技術(shù)發(fā)揮威力，就必需要了解并利用原子的特性；但是要處理大小只有一根頭發(fā)絲寬度的幾萬分之一的粒子卻并非易事。

在第一篇研究報告中，美國加州圣何塞市IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)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(xué)進展。他們用IBM低溫掃描隧道顯微鏡（STM）對單個鐵原子進行控制并觀察將他們以原子等級的精度排列在一個特制的銅表面上的情況。在此基礎(chǔ)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一個原子的“磁各向異性”，而原子的這一基本屬性可以決定其存 儲信息的 能力，因此具有非常重要的技術(shù)意義。IBM科學(xué)家Cyrus Hirjibeheden說：“長期以來我們一直試圖在極其微小的介質(zhì)上存儲信息。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(nèi)穩(wěn)定其磁性方向，那么我們就能利用原子儲存信息。這也是我們工作的難點。”

這一突破還可能導(dǎo)致體積非常小的新型結(jié)構(gòu)和裝置的問世，并可應(yīng)用于傳統(tǒng)計算之外的全新領(lǐng)域和學(xué)科。“IT行業(yè)今天所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何將數(shù)據(jù)存儲的數(shù)位盡可能的縮小，同時增加存儲容量，” IBM公司阿爾馬登研究中心負(fù)責(zé)科學(xué)技術(shù)工作的經(jīng)理Gian-Luca Bona說，“我們的研究工作處于最前沿領(lǐng)域，而且我們現(xiàn)在距離弄清怎樣在原子尺度上來存儲數(shù)據(jù)已經(jīng)更近一步了。了解原子的特定磁性能是尋找新的、更有效的數(shù)據(jù)存儲方式的基礎(chǔ)。”

超小型裝置: 單分子邏輯開關(guān)

在第二篇研究報告中，瑞士IBM蘇黎世研究實驗室的科學(xué)家們描述了第一個單分子開關(guān)，它能夠在不破壞分子外框架的同時進行準(zhǔn)確無誤的操作。這是朝著制造比今天的計算機芯片和記憶裝置小得多、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。

除了在一個分子內(nèi)進行切換（開關(guān)）外，研究人員還演示了一個分子內(nèi)的原子如何與相鄰分子中的原子進行切換，這實際上就構(gòu)成了一個基礎(chǔ)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。

計算機芯片內(nèi)的開關(guān)與光開關(guān)的作用方式一樣，用來打開和關(guān)閉電子流 并將它們放到一起，構(gòu)成邏輯門，即構(gòu)成計算機處理器的電路。開關(guān)尺寸越小，電路尺寸也就相應(yīng)的小，從而有可能將更多的電路集成到一個處理器上，同時還可以 提高速度和性能。以前，IBM公司及其他機構(gòu)的研究人員曾經(jīng)嘗試過在單個分子內(nèi)進行開關(guān)，但這些分子在開關(guān)時會改變形狀，從而不適合構(gòu)造計算機芯片或記憶 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(nèi) 的兩個氫原子將單獨一個分子打開和關(guān)閉。這種分子開關(guān)的出現(xiàn)使得制造尺寸超小、但是速度堪比超級計算機的芯片成為可能；甚至還有可能產(chǎn)生只有一丁點灰塵那 么大或可以放到針尖上的計算機芯片。