Moleküle lernen rechnen

Der Blick durchs Rastertunnelmikroskop auf die derzeit kleinsten Elektronikbauteile im klassischen CMOS-Verfahren (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -- sie weisen eine Gatelänge von nurmehr sechs Nanometer auf -- bringt es an den Tag: Weil sie langsam aber sicher molekulare Dimensionen erreichen sind ihre Einzelteile "krumm" und "schief". Die sogenannte Linienrauhigkeit wird zu gross. Die Folge ist laut Heike Riel, Leiterin der Abteilung "Nanoscale Electronics" am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich, verheerend: "Jeder Transistor funktioniert anders, weil er nicht mehr baugleich ist". Und das ist nun einmal in der strikten Welt der Nullen und Einsen nicht mehr brauchbar. Auf einem Prozessor müssen sich vielmehr Milliarden von Transistoren absolut identisch verhalten.

Was also tun? Riel und ihre Forschungsgruppe ist daran, die Grundlagen für eine von vielen Alternativen erarbeiten. Sie beschäftigt sich mit molekularer Elektronik. "Die Idee dahinter ist, dass man die Funktionalität eines einzelnen Bauelements in ein einzelnes Molekül integrieren kann", erklärt die Wissenschaftlerin.

Ein Vorteil liegt dabei auf der Hand: Moleküle sind bereits sehr klein. Sie messen zwischen 0,5 und 5 Nanometer, sie sind somit bis zu 50'000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Zudem sind Moleküle immer baugleich. Man erhält also identische Grundbausteine. Schliesslich erlauben sie wegen ihrer Winzigkeit schnelle Schaltfrequenzen, und sie sind, was den Leistungsverbrauch angeht, sehr genügsam.

"Die geringe Grösse der Moleküle ist einerseits ein Riesenvorteil. Andererseits ist sie auch die grösste Schwierigkeit", relativiert Riel. Daneben müssen auch noch die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen und ihrem Kontaktmaterial, das ein Metall oder Halbleiter ist, beachtet werden. Die Forscherin rechnet daher damit, dass erst in 10 bis 15 Jahren ihre Arbeit Früchte tragen und in vermarktbare Produkte einfliessen wird. "Ich verspreche Ihnen daher nicht, dass wir in den nächsten zehn Jahren den molekularen Computer liefern werden", warnt Riel.

Das Molekül als Schalter

Erste Erfolge auf dem Weg zum Molkular-Rechner haben die Wissenschaftler dennoch schon verzeichnen können. So ist es ihnen gelungen, einen Schalter auf Molekülbasis zu bauen, der theoretisch als Grundstein eines nicht-flüchtigen Informationsspeichers dienen könnte. "Wir konnten zeigen, dass das Molekül schalten, also als Diode funktionieren kann", erklärt Riel.