Ученые впервые измерили теплопередачу одной молекулы

Исследователи впервые измерили передачу тепла через одиночную молекулу. Открытие поможет создать молекулярные вычислительные схемы, которые позволят повысить быстродействие компьютеров до предела.

В процессе работы все вычислительные устройства выделяют тепло согласно закону Джоуля — Ленца. При прохождении тока через любой материал, не обладающий сверхпроводимостью, тепло будет выделяться в окружающую среду. Оно может повлиять на работу устройств, в частности на скорость прохождения сигнала.

Но до сих пор ученые не могли измерить количество тепла, протекающее через одну молекулу в цепочке. Это значение важно знать для создания вычислительных устройств нового поколения. По словам ученых, чем быстрее тепло может рассеиваться от цепочек молекул, тем надежнее будут молекулярные вычислительные устройства.

Исследователи из Мичиганского университета впервые поставили эксперимент, в котором измерили передачу тепла через одну молекулу. Для этого они разработали теплоизмерительный прибор (калориметр), который был почти полностью изолирован от остальной части помещения, что позволяет ему иметь отличную тепловую чувствительность. Они нагревали калориметр примерно на 20-40 градусов выше комнатной температуры и проводили измерения.

Прибор был оснащен золотым электродом с наконечником нанометрового размера. Ученые соединили два электрода, пока они практически не соприкоснулись друг с другом, что позволило некоторым цепочкам атомов углерода прикрепиться к электроду калориметра. Когда электроды соприкасались, тепло свободно вытекало из калориметра, как и электрический ток. Затем исследователи медленно разделили электроды, между которыми теперь оставалась только цепочка углеродных атомов. Манипулируя электродами, ученые добились того, что между ними был только один атом. Его теплопередачу и удалось измерить.

Новая работа поможет приблизиться к пределу закона Мура, который гласит, что число транзисторов в интегральной схеме удваивается каждые два года, удваивая плотность вычислительной мощности. Молекулярные компьютеры будут иметь наименьший возможный размер вычислительных единиц, а значит, самую большую скорость. Но для их разработки требуются еще годы исследований.