NANOFIZYKA
Feynman
mia" racj�
ZejĘcie w dó", do nanoskali, jest moŻliwe.
Najpierw jednak trzeba zrozumie�
niezwyk"e prawa fizyki
rządzące w tym Ęwiecie
Michael Roukes
W grudniu 1959 roku Richard lowania przedmiotami w ma"ej skali (...). korzystująca efekty kwantowe, elektro-
Feynman, przysz"y laureat Nagrody No- To, co juŻ zrobi"em, to pokaza"em, Że nika spinowa (zwana spintroniką) czy
bla, wyg"osi" wizjonerski i cz�sto obec- jest na to miejsce  tzn., Że zmniejsza- konstrukcja uk"adów mikroelektrome-
nie cytowany wyk"ad pod intrygującym nie przedmiotów w praktyce jest real- chanicznych (MEMS). Jego wyk"ad mia"
tytu"em  Tam na dole jest mnóstwo miej- ne. Zamierzam wykaza�, Że jest na to teŻ coĘ z magii, w którą zresztą Feyn-
sca . Okazją ku temu by" zjazd Ameri- mnóstwo miejsca. Nie b�d� teraz oma- man spowija" wszystko, ku czemu zwra-
can Physical Society (Amerykał
skiego wia�, jak zamierzamy to zrobi�, lecz je- ca" si� jego niezwyk"y umys". W istocie
Towarzystwa Fizycznego), który odby" dynie chc� wskaza�, co w zasadzie jest to on g"�boko zainspirowa" mnie do pod-
si� w California Institute of Technology moŻliwe (...). Nie robimy tego po pro- j�cia przed 20 laty badał
w dziedzinie fi-
 wówczas Feynmana, a dziĘ moim in- stu dlatego, Że jeszcze si� do tego nie zyki nanoskali.
telektualnym domu. Cho� nie by"o to in- zabraliĘmy. DziĘ mamy juŻ do czynienia z nano-
tencją autora, 7000 wypowiedzianych Rozmach wizji Feynmana by" zdumie- technologiczną gorączką z"ota. Do wy-
wtedy przez niego s"ów wyznaczy"o ka- wający. W tym wyk"adzie sprzed 42 lat Ęcigu przystąpi"y prawie wszystkie agen-
mieł
milowy w nanotechnologii, na d"u- przewidzia" pojawienie si� wielu dobrze dy finansujące badania naukowe i tech-
go zanim na horyzoncie pojawi"o si� ja- dziĘ juŻ rozwini�tych dyscyplin nauko- niczne. Indywidualni naukowcy i instytu-
kiekolwiek  nano . wych i technik, takich jak wytwarzanie cje walczą o kawa"ek tego tortu. Ale z r�-
 Chcia"bym opisa� dziedzin�, w któ- struktur za pomocą wiązki elektronów ką na sercu stwierdzam, Że wiele pomy-
rej zosta"o zrobione bardzo ma"o, cho� albo jonów, epitaksja z wiązek moleku- s"ów uĘwi�conych przedrostkiem  nano
w zasadzie moŻe si� w niej dokona� larnych, nanolitografia, projekcyjna mi- to czysta kpina z wizji Feynmana.
ogromny post�p  rozpoczą".  (...) kroskopia elektronowa, manipulowanie Dopiero stawiamy pierwsze kroki
Chcia"bym mówi� o problemie manipu- pojedynczymi atomami, elektronika wy- w urzeczywistnianiu jego wielkiego po-
40 �WIAT NAUKI LISTOPAD 2001
mys"u: budowaniu, atom po atomie, NOWOCZESNE URZŃDZENIA NANOTECHNOLOGICZNE, jak przedstawione na fotografii elektro-
mechaniczne rezonatory, umoŻliwiają naukowcom odkrywanie nowych praw fizyki rządzących
skomplikowanych maszyn i obwodów.
niezwyk"ymi w"aĘciwoĘciami materii w mezoskali.
Na razie potrafimy jedynie robi� rzeczy
najprostsze. Daleko nam do masowej pro-
dukcji nanouk"adów  zintegrowanych
wieloelementowych nanourządzeł
o Naukowcy i inŻynierowie "atwo wy- wych. A w"aĘnie w tej poĘredniej mezo-
stopniu komplikacji i moŻliwoĘciach dzi- twarzają juŻ nanostruktury o rozmia- skali ujawniają si� niezwyk"e w"aĘciwo-
siejszych mikroprocesorów. W dodatku rach od jednego do kilkuset nanome- Ęci takich uk"adów.
jest jeszcze fundamentalny problem na- trów  rzeczywiĘcie ma"e, ale ciągle Badacze zbliŻają si� do granicy roz-
ukowy: coraz bardziej oczywisty staje si� duŻo wi�ksze od prostych cząsteczek. dzielającej makro- i mikroĘwiat, wyko-
fakt, Że dopiero zaczynamy gromadzi� Obiekty mezoskopowe są na ogó" nie- rzystując uzupe"niające si�  w gór�
szczegó"ową wiedz�, która legnie u pod- por�cznym przedmiotem badał
. Sk"a- i  w dó" metody wytwarzania struktur.
staw przysz"ej nanotechnologii. Nowe dają si� ze zbyt wielkiej liczby atomów, Post�p w technikach  w dó" , czyli wy-
odkrycia dotyczą w"aĘciwoĘci i zacho- aby da"o si� do nich bezpoĘrednio stoso- twarzania coraz mniejszych obiektów,
wania si� grup atomów i cząsteczek w wa� mechanik� kwantową (mimo Że jej na przyk"ad w litografii elektronowej
skali nie tak duŻej, by moŻna uzna� ją za podstawowe prawa nadal obowiązują). (stosowanej przez moją grup� badaw-
makroskopową, cho� duŻo wi�kszej niŻ Jednak uk"ady te nie są tak duŻe, by efek- czą), pozwala na operowanie z niemal
mikroskopowa. To nauka o mezoskali i ty kwantowe moŻna by"o zupe"nie po- atomową precyzją. Osiągni�cie zamie-
dopóki nie zrozumiemy rządzących nią miną�; nie zachowują si� teŻ zgodnie rzonego celu, nawet jeĘli nie mówi�
praw, trudno b�dzie budowa� urządze- z prawami fizyki klasycznej, s"usznymi o powtarzalnoĘci parametrów budowa-
nia o praktycznym znaczeniu. w przypadku obiektów makroskopo- nej struktury o rozmiarze pojedynczych
LISTOPAD 2001 �WIAT NAUKI 41
M. J. MURPHY, D. A. HARRINGTON I M. L. ROUKES
California Institute of Technology
Coraz bardziej oczywisty staje si� fakt,
Że dopiero zaczynamy gromadzi� szczegó"ową wiedz�,
która legnie u podstaw nanotechnologii.
nanometrów, bywa natomiast proble- j�tnoĘ� aranŻacji skomplikowanych si� praktyczne zastosowania nanotech-
matyczne. Alternatywną drogą rozwo- uk"adów cząsteczek. Dzisiejsze osiągni�- nologii. W ostatnich 20 latach byliĘmy
ju są techniki  w gór� polegające na cia  cho� wydają si� spektakularne  Ęwiadkami odkrycia nowych praw fizy-
samoustawianiu si� atomów. Jednak są bardzo skromne. W koł
cu jednak ki, które rządzą mezoĘwiatem. Rozpa-
jeszcze nie nadchodzi era dowolnie du- opracujemy sposoby umoŻliwiające spi- trzmy trzy waŻne przyk"ady.
Żych, uzyskiwanych tą metodą struktur nanie pojedynczych wiązał
mi�dzy ato- Jesienią 1987 roku Bart J. van Wees,
o zaprojektowanej z góry architekturze, mami w bardziej ogólnych warunkach. doktorant z Politechniki w Delft w Ho-
równie skomplikowanych, co powszech- Na pewno w rozbudowanej sieci takich landii, i Henk van Houten z Philips Re-
ne dziĘ uk"ady mikroelektroniczne, mi- po"ączeł
poszczególne wiązania b�dą search Laboratories wraz ze wspó"pra-
kroelektromechaniczne czy stworzone oddzia"ywa� na siebie w sposób, które- cownikami badali przep"yw prądu
przez matk� natur�. Wydaje si�, Że po- go jeszcze nie rozumiemy, a zatem nie elektrycznego przez obiekty dziĘ nazy-
dejĘcie  na dó" najprawdopodobniej potrafimy kontrolowa�. wane punktowymi kontaktami kwan-
d"ugo pozostanie jedyną metodą two- OczywiĘcie Feynman chcia", by jego towymi  metaliczne elektrody o na-
rzenia naprawd� skomplikowanych wizja zainspirowa"a s"uchaczy. Gdyby nometrowych rozmiarach [ilustracja na
urządzeł
[patrz: George M. Whitesides Ży", zapewne z niepokojem przyjmowa"- stronie 44]. Pewnego wieczoru Leo
i J. Christopher Love  Sztuka budowa- by interpretowanie jej jako prawdy ob- Kouwenhoven, stypendysta odbywają-
nia bardzo ma"ych struktur , s. 30]. jawionej. Przedstawia" bowiem swoje cy staŻ podoktorski u van Weesa, pro-
Pokonanie trudnoĘci w dotarciu do idee z charakterystyczną figlarnoĘcią, wadzi" pomiary przewodnictwa takich
mezoskali  z góry czy teŻ  z do"u jest a zarazem z g"�bokim zrozumieniem isto- uk"adów, zmieniając systematycznie ich
dla fizyków wielkim wyzwaniem. Wy- ty zagadnienia. Na nasze nieszcz�Ęcie ob- rozmiar. Badacze spodziewali si� zaob-
daje si� jednak, Że istota historycznego szar zagadnieł
nazywany nanotechno- serwowa� jedynie nieznaczne odchyle-
wyk"adu Feynmana bywa ostatnio logią by" tylko jednym z wielu, które go nia od g"adkiego, pozbawionego struk-
opacznie rozumiana jako przyzwolenie intrygowa"y. Nigdy naprawd� nie rozwi- tury t"a. Tymczasem zauwaŻyli bardzo
na realizacj� w ramach nanotechnologii ną" tego tematu; wróci" do niego tylko wyraęną, dziĘ juŻ charakterystyczną, za-
kaŻdego pomys"u. Tymczasem Feynman raz, powtarzając w 1983 roku swój wy- leŻnoĘ� w kszta"cie schodów. Dalsza
nigdy nie twierdzi", Że w nanoskali k"ad w Jet Propulsion Laboratory. analiza przeprowadzona tamtej nocy
 wszystko dzia"a . Ostrzega" na przy- wykaza"a, Że wartoĘci przewodnictwa
k"ad, Że sama próba  ustawiania ato- Triumf nowych praw odpowiadające p"askim fragmentom
mów jeden obok drugiego, tak jak chce- W 1959 ROKU, a nawet w 1983, daleko by- mierzonych zaleŻnoĘci mia"y ustalone
my , ograniczona jest fundamentalnymi "o do pe"nego zrozumienia fizyki zja- wartoĘci.
zasadami:  Nie moŻna na przyk"ad usta- wisk zachodzących w mezoskali. Mam Póęniej David Wharam i Michael Pep-
wi� ich tak, Że uk"ad b�dzie niestabilny wi�c dobrą wiadomoĘ� dla badaczy: dziĘ per z Univeristy of Cambridge uzyskali
chemicznie . I rzeczywiĘcie, za pomo- jesteĘmy mniej wi�cej w tym samym podobne wyniki. Te dwa odkrycia by"y
cą mikroskopów skaningowych moŻna miejscu! Wielkie, egzotyczne obszary pierwszymi mocnymi dowodami istnie-
przesuwa� atomy z miejsca na miejsce wciąŻ czekają na odkrywców. Zg"�biając nia kwantyzacji przewodnictwa elek-
po przygotowanej powierzchni, ale nie je, poznamy ca"ą gam� nowych zjawisk, trycznego. Jest to podstawowa w"aĘci-
oznacza to jeszcze, Że posiedliĘmy umie- które musimy zrozumie�, aby pojawi"y woĘ� ma"ych przewodników, która
pojawia si�, gdy funkcje falowe elektro-
nów nie tracą spójnoĘci na drodze czą-
stek ze  ęród"a do  drenu  wejĘcia
Przegląd / Nanofizyka
i wyjĘcia  nanometrowego obwodu.
Feynman przewidzia" cz�Ęciowo ta-
Nanotechnologiczne urządzenia, mniejsze niŻ obiekty makroskopowe, ale wi�ksze
kie zachowanie:  RozwaŻa"em proble-
niŻ cząsteczki, istnieją w niezwyk"ym Ęwiecie  mezoskali, gdzie w"aĘciwoĘci materii
podlegają tajemniczej mieszaninie praw fizyki klasycznej i kwantowej. my konstrukcji miniaturowych obwo-
InŻynierowie nie b�dą mogli konstruowa� poprawnie dzia"ających nanourządzeł
,
dów elektrycznych i stwierdzi"em, Że
dopóki nie poznamy fizyki obiektów mezoskopowych.
zagadnienie oporu jest niebagatelne...
Fizycy odkrywają prawa obowiązujące w mezoskali, budując niezwyk"e, skomplikowane
DoĘwiadczenia wykaza"y jednak coĘ na-
uk"ady atomów i mierząc ich intrygujące w"aĘciwoĘci.
prawd� nowego i fundamentalnego:
Gdy uda si� zrozumie� w"aĘciwoĘci nanometrowych obiektów, b�dzie moŻna w pe"ni
dzia"aniem ma"ych urządzeł
elektrycz-
zrealizowa� proroczą wizj� Richarda Feynmana: przyroda daje nam wielkie pole do popisu
nych rządzi mechanika kwantowa.
w nanoĘwiecie, który prawdopodobnie uda si� zape"ni� uŻytecznymi dla ludzkoĘci
Ujawnianie si� efektów kwantowych
wynalazkami.
w tego typu przewodnikach wykaza"
42 �WIAT NAUKI LISTOPAD 2001
Dzi�ki post�pom w wytwarzaniu
struktur nanometrowych do roku 1987
Theodore A. Fulton i Gerald J. Dolan
z Bell Laboratories skonstruowali
pierwszy tranzystor prze"ączany jed-
nym elektronem [ilustracja na stronie
46]. Odkryte przez nich zjawiska zwią-
zane z przemieszczaniem pojedyncze-
go elektronu, zwane obecnie efektami
blokady kulombowskiej, obserwuje si�
w wielu róŻnorodnych strukturach.
W miar� badania coraz mniejszych
obiektów wida�, Że obecnoĘ� blokady
kulombowskiej w s"abo sprz�Żonych ob-
wodach o nanometrowych rozmiarach
jest raczej regu"ą niŻ wyjątkiem. Uwi-
dacznia si� to zw"aszcza w doĘwiadcze-
niach z przepuszczaniem prądu przez
pojedyncze cząsteczki. Moleku"y mogą
pe"ni� rol� wysp kulombowskich z po-
wodu s"abego sprz�Żenia z elektroda-
mi "ączącymi je z makroĘwiatem. Naj-
wi�kszym wyzwaniem nowej dziedziny,
elektroniki molekularnej, jest teraz
NANOMOSTEK, dzi�ki któremu grupa fizyków z Caltech zaobserwowa"a po raz pierwszy kwan-
opracowanie sposobu wykonywania
tyzacj� przewodnictwa cieplnego  fundamentalne ograniczenie dotyczące przep"ywu ciep"a przez
mikroskopijne obiekty. Cztery dziury (czarny) wytrawione w membranie z azotku krzemu otacza- trwa"ych, powtarzalnych po"ączeł
z ma-
ją rezerwuar ciep"a (Ęrodkowy zielony kwadrat) zawieszony na czterech wąskich mostkach. Jed- "ymi cząsteczkami.
na ze z"otych elektrod (Żó"ty) pe"ni rol� elektrycznego piecyka grzejącego rezerwuar, druga mie-
W 1990 roku, gdy znane juŻ by"y wy-
rzy jego temperatur�. Cienkie warstwy nadprzewodzące (niebieski) naniesione na mostki "ączą
niki opisanych wyŻej badał
, pracowa-
elektrycznie elektrody z innymi elementami urządzenia, ale nie przenoszą ciep"a. Ciep"o z rezer-
"em w Bell Communications Research
wuaru odp"ywa tylko przez mostki z azotku krzemu, które są tak wąskie, Że przepuszczają jedy-
nie fale cieplne o najniŻszej energii. nad przewodnictwem elektronów w me-
zoskopowych strukturach pó"przewod-
nikowych. W ramach jednego z pobocz-
w 1957 roku Rolf Landauer, teoretyk "adunku wymaga coraz wi�kszej ener- nych projektów (wraz ze mną realizo-
z IBM, który sformu"owa" pionierskie gii. Wskutek tego jeden elektron moŻe wali go Larry Schiavone i Axel Sche-
idee nanoelektroniki i fizyki obliczeł
. sterowa� przep"ywem prądu w ma"ym rer) zaczą"em rozwija� technik�, która
Ale dopiero w po"owie lat osiemdziesią- urządzeniu.  mia"em nadziej�  mog"aby ukaza�
tych technologia materia"owa i techni- Takie rozwaŻania nabierają coraz wi�k- kwantową natur� przep"ywu ciep"a. Za-
ki wytwarzania mikrostruktur umoŻli- szego znaczenia technologicznego. Z d"u- gadnienie to wymaga"o znacznie bar-
wi"y badanie tych zjawisk w laborato- goterminowych prognoz wykonanych dziej wyrafinowanych struktur niŻ p"a-
rium. Odkrycia dokonane w 1987 roku w ramach przemys"owego projektu In- skie obwody wykorzystywane w bada-
zwiastowa"y triumf  mezoskopii . ternational Technology Roadmap for Se- niach mezoskopowej elektroniki. Po-
Drugim waŻnym przyk"adem nowych miconductors wynika, Że do roku 2014 trzebowaliĘmy swobodnie zawieszonych
odkry� w mezoskali, które przybliŻy"y minimalne rozmiary tranzystora zmniej- urządzeł
, uk"adów ca"kowicie trójwy-
narodziny nanotechnologii, jest prawo szą si� do 20 nm. W tej skali kaŻde prze- miarowych. O s"odka niewiedzo... Do-
zaproponowane po raz pierwszy w 1985 "ączenie wymaga� b�dzie tylko oko"o Ęwiadczenia okaza"y si� tak skompliko-
roku przez Konstantina Lichariewa, oĘmiu elektronów. Rozwiązania, które wane, Że ich przeprowadzenie zaj�"o
m"odego profesora fizyki z Uniwersyte- b�dą prawid"owo uwzgl�dnia� efekty nam prawie 10 lat.
tu Moskiewskiego, jego wspó"pracow- elektrostatyczne związane z pojedynczy- Pierwsze powaŻne badania wykona-
nika Aleksandra Zorina i studenta Dy- mi elektronami, staną si� wobec powyŻ- "em w 1992 roku po przeniesieniu si�
mitra Awerina. OtóŻ badacze ci prze- szego niezwykle istotne. do Caltech, we wspó"pracy z Johnem
widzieli, Że b�dzie moŻna kontrolowa�
ruch pojedynczego elektronu wewnątrz
i na zewnątrz tzw. wyspy kulombow-
MICHAEL ROUKES jest profesorem fizyki w California Institute of Technology, kieruje grupą
skiej  przewodnika s"abo sprz�Żonego
badającą nanometrowe struktury. Wraz z zespo"em zamierza podją� prób� zwi�kszenia mi-
z pozosta"ą cz�Ęcią nanoobwodu. Idea ta
liard razy czu"oĘci dzisiejszych technik kalorymetrycznych. By� moŻe pozwoli to na obserwa-
jest podstawą konstrukcji tranzystora
cj� pojedynczych kwantów ciep"a wymienianych z otoczeniem podczas ozi�biania nanoobwo-
nowego typu, dzia"ającego na zasadzie
du i wr�cz nieprawdopodobne zwi�kszenie czu"oĘci obrazowania za pomocą rezonansu
ruchu jednego elektronu. Gdy wyspa
magnetycznego, dzi�ki czemu uda si� stworzy� trójwymiarowe obrazy skomplikowanych czą-
staje si� coraz mniejsza, zmiana jej steczek biologicznych z atomową rozdzielczoĘcią.
LISTOPAD 2001 �WIAT NAUKI 43
O AUTORZE
K. C. SCHWAB, E. A. HENRIKSEN i M. L. ROUKES
Caltech
wa�; nie zagrzeją si�, bo ciep"o ucieka
z takich ma"ych urządzeł
bardzo, bar-
KROK PO KROKU
dzo szybko. Z naszych eksperymentów
wynika jednak, Że w przyrodzie istnie-
KWANTYZACJA PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO
ją pewne bariery. Kwantowe przewod-
nictwo cieplne moŻe ograniczy� efek-
W 1987 roku Bart J. van Wees wraz ze
tywno� rozpraszania ciep"a przez ma"y
wspó"pracownikami z Politechniki w Delft
obiekt. Wizja Feynmana sprawdzi si�
w Holandii i Philips Research Laboratories
tylko wówczas, kiedy w architekturze
(równieŻ znajdujących si� w Holandii) zbu-
nanostruktury uwzgl�dni si� istnienie
dowa" nową struktur� (mikrofotografia),
tej granicy.
która umoŻliwi"a odkrycie podstawowego
prawa rządzącego przep"ywem prądu elek- Trzy przedstawione powyŻej przyk"a-
trycznego w nanoobwodach. Z"ote elektro-
dy prowadzą do jednego wniosku: do-
dy  bramki (jasne obszary)  umieszczo-
piero zaczynamy poznawa� cudownie
no na pod"oŻu z pó"przewodnika (ciemne
GAZ ELEKTRONOWY
skomplikowany nanoĘwiat. Odkrycie
OBSZAR ZUBO�ONY
t"o). Oko"o 100 nm pod powierzchnią bra- (POD POWIERZCHNIŃ)
kwantu przewodnictwa elektrycznego
W ELEKTRONY
mek wytworzono p"aską warstw� "adun-
(POD POWIERZCHNIŃ)
i cieplnego, wykazanie istnienia bloka-
B
ków, zwaną dwuwymiarowym gazem elek- Z�OTA BRAMKA

dy kulombowskiej to prawdziwe punk-
tronowym. Bramki i dwuwymiarowy gaz
ty zwrotne  momenty, w których nagle
dzia"a"y jak ok"adki kondensatora.
,,,,,,
,,,
,,,,,
,,
zmienia si� rozumienie zjawisk. Nie
Przy"oŻenie ujemnego napi�cia do elek-
przywykliĘmy jeszcze nazywa� swych
trod powoduje wypchni�cie elektronów ,,,,
spod elektrod i obszaru bezpoĘrednio do odkry� prawami. Mimo to nie mam wąt-
,,, ,,
,,,,
, ,,,
, ,,
nich przylegającego. (Ten stan przedsta-
pliwoĘci, Że kwantyzacja przewodnic-
GRANICA OBSZARU
wia zamieszczony obok schemat.) Zwi�k-
twa elektrycznego i cieplnego oraz efek-
A
ZUBO�ONEGO
szanie ujemnego napi�cia powoduje po-
ty elektrostatyczne związane z obec-
PRZEP�YW PRŃDU
wi�kszanie tego  obszaru zuboŻonego .
PRZEZ URZŃDZENIE
noĘcią pojedynczych elektronów na-
JeĘli jest on dostatecznie duŻy, "adunki po
prawd� naleŻą do uniwersalnych praw
obu stronach kana"u są rozdzielone (po-
rządzących zachowaniem obiektów
mi�dzy punktami A i B) i przewodnictwo urządzenia wynosi zero. Wraz ze zmniejszaniem
w nanoskali. To nowe prawa nanoĘwia-
napi�cia przewodnictwo pojawia si�, ale nie w sposób ciąg"y: zwi�ksza si� skokami, których
ta. Nie przeczą, lecz wzmacniają i roz-
wysokoĘ� jest równa podwojonemu kwadratowi "adunku elektronu podzielonemu przez sta-
jaĘniają niektóre pierwotne przypusz-
"ą Plancka. WielkoĘ� ta nosi nazw� kwantu przewodnictwa elektrycznego i oznacza, Że
prąd elektryczny w nanoobwodach ma skwantowane wartoĘci. czenia Feynmana. Wydaje si�, Że on
rzeczywiĘcie przeczu" ich obecnoĘ�:
 W skali atomowej wyst�pują si"y o no-
wym charakterze, nowe moŻliwoĘci i no-
Worlockiem z University of Utah i dwo- szone przez pojedyncze drganie me- we efekty. Problem wytwarzania i re-
ma stypendystami odbywającymi kolej- chaniczne o charakterze fali obej- produkowania materia"ów b�dzie wy-
no w mojej grupie staŻ podoktorski. Tho- mującej ca"e nanourządzenie. Jest to gląda� zupe"nie inaczej.
mas Tighe opracowa" metody i urzą- zjawisko analogiczne do kwantowe- Na drodze do prawdziwej nanotech-
dzenia umoŻliwiające pierwszy bezpo- go przewodnictwa elektrycznego, lecz nologii jeszcze nie raz znajdziemy si�
Ęredni pomiar przep"ywu ciep"a w na- rządzi transportem ciep"a. Ten kwant w punkcie zwrotnym. Oczekiwane nie-
nostrukturach. Keith Schwab ulepszy" jest istotnym parametrem w nanoelek- zwyk"e odkrycia nastąpią wraz z rozwo-
potem konstrukcj� zawieszonych nano- tronice; okreĘla on ostateczną grani- jem umiej�tnoĘci obserwowania, bada-
struktur i obudowa" je niezwykle czu"y- c� szybkoĘci rozpraszania ciep"a w nia i kontrolowania nanostruktur. Lepiej
mi detektorami przystosowanymi do mikrouk"adach. Innymi s"owy, dzia- zatem zachowa� umiar i rozwag� w pro-
pracy w ekstremalnie niskiej tempera- "anie wszystkich  aktywnych urządzeł
gnozach dotyczących nanotechnologii.
turze, w której poszukiwane efekty sta- wymaga nieco energii, a ich stabil-
wa"y si� najwyraęniejsze. na praca bez przegrzewania si� jest Blaski i cienie nanoĘwiata
Pod koniec lata 1999 roku Schwab moŻliwa tylko dzi�ki odprowadzaniu PISARZE, FUTUROLODZY i codzienna pra-
zaobserwowa" w koł
cu przep"yw cie- ciep"a, które wytwarzają. Ch"odzenie sa cz�sto opisują nanoĘwiat jako miejsce
p"a przez bardzo ma"e  druty z azot- mikroprocesorów w celu ochrony przed nieograniczonych moŻliwoĘci. Ale jak
ku krzemu. JuŻ w tych pierwszych po- zniszczeniem urasta do kluczowego juŻ pisa"em, nie jest to miniaturowa wer-
miarach stwierdziliĘmy, Że istnieje pod- problemu w sytuacji, gdy inŻyniero- sja Dzikiego Zachodu. Nie wszystko jest
stawowe ograniczenie, jakiemu pod- wie wciąŻ usi"ują zwi�kszy� g�stoĘ� tam moŻliwe; obowiązują pewne pra-
lega przep"yw ciep"a w strukturach upakowania tranzystorów i zmusi� je wa. Oto dwa przyk"ady barier, doty-
mezoskopowych. ObecnoĘ� tej granicy do coraz szybszej pracy. Rozwój nano- czących uk"adów nanoelektromecha-
wiąŻe si� z czymĘ, co obecnie nazy- technologii moŻe go jedynie jeszcze nicznych (NEMS), którymi obecnie si�
wamy kwantem przewodnictwa ciepl- pog"�bi�. zajmuj�.
nego. OkreĘla on maksymalną szyb- Feynman, rozwaŻając i te trudnoĘci, Cz�Ę� moich badał
dotyczy wykorzy-
koĘ�, z jaką ciep"o moŻe by� przeno- stwierdzi":  �oŻysk nie trzeba smaro- stania ma"ych mechanicznych urządzeł

44 �WIAT NAUKI LISTOPAD 2001
B. J. VAN WEES
Politechnika w Delft
; NINA FINKEL
(schemat)
TrudnoĘci w komunikacji mi�dzy nanoĘwiatem a makroĘwiatem
to g"ówny problem w rozwoju nanotechnologii.
jako czujników. Nanostruktury to obiet- wana do zasilania konwencjonalnych siejszej elektronice jeszcze ciągle egzoty-
nica niezwyk"ych moŻliwoĘci; im mniej- tranzystorów. ka. Urządzenia nanometrowych rozmia-
sze urządzenie, tym "atwiej zmieni� je- Zaletą jest to, Że nawet milion nano- rów b�dą musia"y mie� ca"kowicie od-
go parametry. Jednym z przyk"adów jest mechanicznych elementów tworzących mienną architektur�, przystosowaną do
detektor rezonansowy, cz�sto stosowa- w przysz"oĘci miniaturowy przetwor- tak niskich wartoĘci progowych mocy.
ny do pomiaru masy. Drgania w"asne nik lub komputer rozprasza� b�dzie Ta perspektywa moŻe si� nie podoba�
malutkiego elementu mechanicznego, moc rz�du jednej milionowej wata. przemys"owi komputerowemu skupio-
na przyk"ad dęwigni, są okreĘlone przez MoŻna przypuszcza�, Że te uk"ady po- nemu na wykorzystywanych obecnie
jego mas�; dodanie mikroskopijnej ilo- bierające niezwykle ma"o energii zade- technikach i metodologii. Nowa fabry-
Ęci innego materia"u ( waŻonej prób- cydują o powszechnej dost�pnoĘci i sze- ka urządzeł
pó"przewodnikowych kosz-
ki) zmienia zatem cz�stoĘ� rezonanso- rokim asortymencie tanich, maleł
kich, tuje obecnie ponad miliard dolarów,
wą. Ostatnie prace wykonane w moim  inteligentnych czujników rejestrują- a w przysz"oĘci b�dzie prawdopodobnie
laboratorium przez Kamila Ekinci, od- cych nieprzerwanie wszystkie waŻne uŻyteczna dopiero po ca"kowitej wymia-
bywającego staŻ podoktorski, wykazu- funkcje szpitali, fabryk, samolotów itp. nie oprzyrządowania. Jestem jednak
ją, Że niezwyk"a czu"oĘ� nanourządzeł
Szczególnie kusząca wydaje si� per- przekonany, Że w koł
cu takie zmiany
umoŻliwia  waŻenie pojedynczych ato- spektywa skonstruowania miniaturo- nastąpią.
mów i cząsteczek. wych urządzeł
, zw"aszcza o mocy obli-
Nie wszystko jest jednak takie proste. czeniowej pozwalającej na samodzielne Wielkie wyzwania
Atomy i cząsteczki gazów nieustannie dzia"anie, roz"adowujących niezwykle PRAKTYCZNE WYKORZYSTANIE potencja"u
adsorbują i desorbują na powierzchni wolno baterie. nanourządzeł
wymaga� b�dzie oczy-
urządzenia. W makroskopowych przy- Ale jest jeszcze jeden problem: zasila- wiĘcie przezwyci�Żenia ogromnych
rządach procesy te powodują zaniedby- nie ekstremalnie ma"ą mocą to w dzi- trudnoĘci. W kaŻdym obszarze badał

walnie ma"ą zmian� masy. W nanourzą- pojawiają si� specyficzne problemy,
dzeniach róŻnice masy mogą by� jednak ale kilka ogólnych prawid"owoĘci moŻ-
znaczące. Atomy bombardujące rezo- na juŻ sformu"owa�. Na przyk"ad dwa
nansowy detektor b�dą chaotycznie zasadnicze wyzwania, przed którymi
zmienia� jego cz�stoĘ� rezonansową. staną"em w pracy nad uk"adami na-
OczywiĘcie, stabilnoĘ� urządzenia male- nomechanicznymi, są istotne dla ca"ej
je wraz ze zmniejszaniem rozmiaru. Nie- nanotechnologii.
stabilnoĘ� moŻe wi�c by� wadą przy- Wyzwanie I: Komunikacja mi�dzy ma-
sz"ych nanometrowych czujników elek- kro- i nanoĘwiatem. Nanometrowe urzą-
tromechanicznych. Niewykluczone jed- dzenia elektromechaniczne są niezwy-
nak, Że naukowcy rozwiąŻą t� trudnoĘ�, kle ma"e, ale ich ruch moŻe by� jeszcze
na przyk"ad uĘredniając fluktuacje przez mniejszy. Na przyk"ad miniaturowy pr�t
zastosowanie sieci urządzeł
. Ale w przy- zamocowany na obu koł
cach wykonu-
padku pojedynczych elementów pro- je prawie doskona"e drgania harmo-
blem wydaje si� nie do unikni�cia. niczne wtedy, gdy ich amplituda jest
Drugi przyk"ad tego, Że nie wszyst- znacznie mniejsza niŻ jego gruboĘ�. W
ko z"oto, co si�  nanoĘwieci , związany przypadku pr�ta o gruboĘci 10 nm
jest z ekonomią, a wynika z niezwy- oznacza to ruch o amplitudzie tylko kil-
kle ma"ej mocy pobieranej przez dzia"a- ku nanometrów. Zbudowanie przyrzą-
jące urządzenia. Fizyka nak"ada fun- du  przekaęnika przesy"ającego infor-
damentalne ograniczenie na minimal- macj� od takiego urządzenia do Ęwiata
ną pobieraną moc: wszechobecne przy- makroskopowego  wymaga umiej�t-
padkowe drgania cieplne urządzenia noĘci analizy ruchu z jeszcze wi�kszą
mechanicznego okreĘlają  poziom szu- dok"adnoĘcią.
mu , który sprawia, Że odczytanie rze- Dodatkową komplikacją jest wzrost
czywistych s"abych sygna"ów moŻe by� podstawowej cz�stoĘci drgał
wraz ze
niezwykle trudne. W praktyce nano- zmniejszaniem rozmiaru obiektu. Za-
mechaniczne urządzenia najlepiej po- RICHARD FEYNMAN przewidzia" pojawienie si�
tem idealny przekaęnik musi wykrywa�
nanotechnologii w historycznym wyk"adzie wy-
budza� sygna"em tysiąc lub milion ra- ekstremalnie ma"e przesuni�cia w za-
g"oszonym w 1959 roku w Caltech.  Prawa fizy-
zy silniejszym od nat�Żenia szumu. Jest kresie od pikometra do femtometra (od
ki  powiedzia"  nie zabraniają manipulowania
to jednak poziom wciąŻ od miliona bilionowej do trylionowej cz�Ę� metra)
pojedynczymi atomami. Przewidzia" teŻ istnie-
do miliarda razy niŻszy niŻ moc uŻy- nie nowych praw, dziĘ wreszcie odkrywanych. i w bardzo szerokim paĘmie cz�stotli-
LISTOPAD 2001 �WIAT NAUKI 45
JOE MUNROE
Ohio Historial Society
; ZA ZGODŃ ARCHIWUM CALTECH
Zawsze, gdy docieramy do nowego obszaru,
ukazują si� cudowne, nie przewidziane wczeĘniej zjawiska fizyczne,
ale i pojawiają si� równie nieoczekiwane trudnoĘci.
woĘci (rozciągającym si� do obszaru mi- TrudnoĘci w komunikacji mi�dzy na- które potrzebują instrukcji z makroĘwia-
krofal). Spe"nienie obu tych warunków noĘwiatem a makroĘwiatem to g"ów- ta tylko raz, gdy są  nakr�cane i uru-
to wielkie wyzwanie, znacznie wi�ksze ny problem w rozwoju nanotechnolo- chamiane , ale wydaje si�, Że wi�kszoĘ�
niŻ dotychczas w pracach nad urządze- gii. W koł
cu technologia zaleŻe� b�dzie zastosował
nanotechnologii, zrealizo-
niami o rozmiarach mikrometrowych. od trwa"ych, dobrze zaprojektowanych wanych jeszcze za naszego Życia, b�dzie
Kolejnym utrudnieniem jest bezuŻytecz- i wiarygodnych ĘcieŻek przep"ywu in- opiera� si� na przekazie informacji do
noĘ� technik skutecznych w skali mi- formacji  od pojedynczych makro- makroĘwiata sprz�gni�tej z sygna"em
kronów, lecz nieprzydatnych w nano- cząsteczek. We wspania"ych wizjach fu- kontrolnym skierowanym  na dó" . Pro-
urządzeniach. turologów pojawiają si� nanoroboty, blem komunikacji pozostanie g"ównym
zagadnieniem.
Strojenie kana"ów przekazujących in-
formacj� wiąŻe si� z realną groębą
uszkodzenia systemu. Zgodnie z teorią
PRZESUWAJŃC ELEKTRON
kwantową, proces pomiaru na uk"adzie
kwantowym prawie zawsze go zaburza.
Tak samo gdy pojedyncze atomy i czą-
ELEKTRONIKA NA POJEDYNCZYCH ELEKTRONACH
Dzi�ki post�powi w wytwarzaniu nanostruktur Theodore A. Fulton i Gerald J. Dolan z Bell steczki zastąpimy nanouk"adami z"oŻo-
Laboratories zbudowali w 1987 roku pierwszy tranzystor dzia"ający na zasadzie ruchu po- nymi z milionów i miliardów atomów.
jedynczego elektronu (mikrofotografia). W ten sposób uzyskano po raz pierwszy kontrol� nad
Mimo to sprz�Żenie nanometrowego
ruchem pojedynczych elektronów. Sercem struktury jest wyspa kulombowska, metaliczna
obiektu z sondą przekazującą informa-
elektroda odizolowana od elektrod doprowadzających prąd cienką barierą z izolatora (sche-
cj� do makroĘwiata moŻe istotnie zmie-
mat). Elektrody doprowadzające prąd są po"ączone z makroskopowymi urządzeniami la-
ni� jego stan, sprawi�, Że nie b�dzie ide-
boratoryjnymi. Dodatkowa elektroda  bramka (widoczna na ilustracji, ale nie na mikrofo-
alny. Wprowadzenie przekaęników ko-
tografii)  jest nieco oddalona od wyspy kulombowskiej; umoŻliwia ona kontrol�
niecznych do  komunikacji nie oznacza
wprowadzanego do wyspy "adunku. Prąd elektryczny p"ynie przez urządzenie od jednej
jedynie zwi�kszenia rozmiaru i stopnia
elektrody doprowadzającej do drugiej, jak w zwyk"ym obwodzie, ale jest ograniczony prze-
komplikacji nanouk"adu. Takie czujniki
skokami elektronów do i z wyspy.
W swoim eksperymencie Fulton i Dolan zademonstrowali fundamentalne prawa fizyki b�dą pobiera� nieco energii koniecznej
związane z przemieszczaniem pojedynczego elektronu i moŻliwoĘci wykorzystania takich urzą- do przeprowadzania pomiarów. Pomiar
dzeł
jako niezwykle czu"ych elektrometrów: przyrządów, które z "atwoĘcią wykryją przy-
zawsze ma swoją cen�.
p"yw pojedynczych "adunków. Obwody przepuszczające elektrony jeden po drugim mogą sta�
Wyzwanie II: Powierzchnie. Zmniej-
si� podstawą zupe"nie nowej nanoelektroniki. NadejĘcie ery elektroniki na pojedynczych
szenie rozmiarów z mikro- do nanosko-
elektronach to równieŻ pojawienie si� problemów związanych ze zmniejszaniem konwen-
powych oznacza, Że w"aĘciwoĘci fizycz-
cjonalnych obwodów elektronicznych do nanoskali.
ne urządzeł
są znacznie bardziej uza-
leŻnione od zjawisk zachodzących na
ELEKTRON
powierzchniach. Liczne twierdzenia fi-
zyki cia"a sta"ego opierają si� na za"o-
ELEKTRODA
DOPROWADZAJŃCA PRŃD
Żeniu, Że stosunek powierzchni do ob-
j�toĘci jest zaniedbywalnie ma"y. Ozna-
BARIERA Z IZOLATORA
cza to, Że parametry fizyczne są zawsze
zdominowane przez w"aĘciwoĘci mate-
WYSPA KULOMBOWSKA
ria"u obj�toĘciowego. To za"oŻenie oka-
zuje si� jednak ca"kowicie nieprawdzi-
we w nanoskali.
Na przyk"ad urządzenia mechanicz-
ne wytworzone z monokryszta"ów o nie-
zwyk"ej czystoĘci mogą mie� tylko kil-
ka (a nawet nie mie� wcale) defektów
krystalograficznych i domieszek. Począt-
kowo mia"em nadziej�, Że dzi�ki temu
BRAMKA
ich drgania b�dą s"abo t"umione. Ale
wciąŻ przekonujemy si�, Że zmniejsza-
nie rozmiarów urządzeł
powoduje
46 �WIAT NAUKI LISTOPAD 2001
T. A. FULTON I G. J. DOLAN
Bell Laboratories
; BRYAN CHRISTIE
(rysunek)
wzrost rozpraszania energii drgał
, pro-
porcjonalnie do rosnącego stosunku po-
wierzchni do obj�toĘci. Oznacza to, Że
powierzchnia decyduje o stratach ener-
gii. W najlepszych krzemowych pr�tach
o szerokoĘci 10 nm i d"ugoĘci 100 nm
ponad 10% atomów znajduje si� na po-
wierzchni lub w jej pobliŻu. Wynika stąd,
Że te w"aĘnie atomy odgrywają kluczo-
wą rol� w procesie rozpraszania energii,
ale zrozumienie, jak dok"adnie si� to
dzieje, wymaga� b�dzie jeszcze czasu
i sporo wysi"ku.
Z tego punktu widzenia niedawno od-
kryte nanorurki wydają si� obiektami
idealnymi. To kryszta"y w kszta"cie pr�-
ta, doskona"e do zbudowania intere-
sujących nas miniaturowych struktur.
Nanorurka nie ma ustawionych na ze-
wnątrz grup chemicznych, co moŻe su-
gerowa�, Że jej oddzia"ywanie z  obcy-
mi materia"ami jest bardzo s"abe. OtóŻ
nie. W pierwotnym Ęrodowisku ultra-
NANOMECHANICZNY WZMACNIACZ pozwala tysiąckrotnie wzmocni� s"abą si"� i wejĘ� do ma-
wysokiej próŻni nanorurki wykazują ide- kroĘwiata. Dwa zawieszone mostki (po prawej i po lewej) z monokrystalicznego w�glika krzemu
podtrzymują Ęrodkowe prz�s"o, do którego przy"oŻona jest si"a. Elektrody (srebrny) napylone na
alne w"aĘciwoĘci. Jednak w bardziej na-
t� struktur� umoŻliwiają bardzo dok"adną rejestracj� ruchu zachodzącego w nanoskali.
turalnych warunkach, gdy mają kontakt
z powietrzem lub parą wodną, ich w"a-
ĘciwoĘci elektronowe stają si� zupe"nie
inne. Parametry mechaniczne b�dą za- dzielczą, pole magnetyczne i elektrycz- kiego o z"oŻonych uk"adach. Skompli-
pewne równie podatne na zmiany Ęrodo- ne, obniŻaliĘmy ciĘnienie i temperatur� kowane systemy mają cz�sto ogromną
wiska. Tak wi�c powierzchnie napraw- itd. Dlatego prognozowanie wymaga- liczb� parametrów niezwykle czu"ych
d� są bardzo waŻne. I nic na to nie jące spojrzenia w przód na zbyt wiele na zmiany. Ich odczyt i rejestracja z do-
poradzimy. rz�dów wielkoĘci jest najcz�Ęciej ryzy- stateczną regularnoĘcią i precyzją 
kowne. Ta ĘwiadomoĘ� powinna przy- a tym bardziej kontrola  na razie prze-
Pomy"ki pop"acają da� nam pokory i ukaza� w"aĘciwe pro- kraczają nasze moŻliwoĘci. Naukowcy
WIELKICH POSTóPÓW moŻna dokona�, tyl- porcje teraz, na początku podróŻy. wciąŻ badają materi� i w znacznym
ko wybiegając myĘlą naprzód. To wte- Przyroda juŻ ustali"a swe prawa. Wy- stopniu poznali juŻ jej w"aĘciwoĘci
dy wyobraŻamy sobie wspania"e i sza- ruszamy, by zrozumie� i wykorzysta� do poziomu neutronów, protonów i elek-
lone cele, jak odnalezienie Ęwi�tego jej tajemnice. tronów, tak istotnych dla chemików,
Graala. Nadzieja zdobycia s"awy uskrzy- Po drodze okrywamy cz�sto coĘ po- fizyków i inŻynierów. WciąŻ jednak
dla. Trzeba jednak pami�ta�, co powie- zornie absurdalnego, spotykają nas roz- nie potrafią przewidzie� zachowania
dzia" Friedrich August Kekul�, wielki czarowania, wydaje si�, Że to jakaĘ bzdu- dowolnie duŻego zespo"u tych elemen-
chemik Żyjący w XIX wieku:  Nauczmy ra. Ale w nauce rzekome pomy"ki cz�sto tów. Ale g"�boko wierz�, Że to nauki eks-
si� Ęni�, panowie, moŻe wtedy odkryje- okazują si� waŻniejsze niŻ sam Graal, perymentalne, podbudowane teorią,
my prawd�... Ale strzeŻmy si� mówi� którego szukamy. A dochodzenie do staną si� podstawą, na której zbudu-
o snach do czasu, gdy przebudzony prawdy moŻe da� wiele radoĘci z upra- jemy drog� do prawdziwej nanotech-
umys" nie dostarczy dowodów. wiania nauki. GdybyĘmy umieli popraw- nologii. Miejmy oczy otwarte na nie-
Wszystko to jak najbardziej odnosi nie ekstrapolowa� dowolne dane, na- spodzianki czekające nas podczas tej
si� do nanoĘwiata. Snujemy futurystycz- uka by"aby okropnie sucha i nudna. podróŻy!
ne marzenia, ale musimy by� realistami. Rozkoszną prawdą jest to, Że prawdo-
T"umaczy"
Wydaje si�, Że zawsze, gdy docieramy podobnie nigdy nie dowiemy si� wszyst- Jerzy �usakowski
do obszaru, który o czynnik 10 bardziej
róŻni si� od poprzedniego  i prawdopo-
dobnie na korzyĘ�  zdarzają si� dwie
JE�LI CHCESZ WIEDZIE� WIóCEJ
rzeczy. Ukazują si� cudowne, nie prze-
Nanotechnologia. Narodziny nowej nauki, czyli Ęwiat cząsteczka po cząsteczce. Ed Regis; Prószyn-
widziane wczeĘniej zjawiska fizyczne,
ski i S-ka, Warszawa 2001.
lecz jednoczeĘnie pojawiają si� równie
Nanoelectromechanical Systems Face the Future. Michael Roukes; Physics World, tom 14,
nr 2; II /2001. Dost�pne po adresem physicsweb.org/article/world/14/2/8
nieoczekiwane trudnoĘci. Tak w"aĘnie
Adres strony internetowej autora: www.its.caltech.edu/~nano
by"o, gdy zmniejszaliĘmy rozmiar,
TreĘ� oryginalnego wyk"adu Richarda Feynmana  Tam na dole jest mnóstwo miejsca moŻna zna-
zwi�kszaliĘmy czu"oĘ�, zdolnoĘ� roz- leę� pod adresem www.its.caltech.edu./~feynman
LISTOPAD 2001 �WIAT NAUKI 47
D. A. HARRINGTON i M. L. ROUKES
Caltech