Katalog

FİZİK Tek bir atomla calısan atom anahtar Teknotojinin önünde yepyeni ufuklar açan Taramalı Tünelleme Mikroskobu sayesinde gerçekleştirilen "atom anahtar"ı, elektronikte milimetrenin milyonda birinden daha küçük boyutta çalışmalara hız verecek... Erkan Tekman, Bllkenl Üniversttesi Flzlk Bölümü ilimsel ve teknolojik gelişmelerin Konferansın kapanış oturumunda yüzyüzyılımızın ikinci yarısındaki patlerce bilim adamının neredeyse gözlerini 1 laması şüphesiz elektronik teknolokırpmadan izledikleri Don Eigler'in konuşjisinin ortaya çıkmasına ve bunun sonucu Yüzey değiştirmenin önemi ması STM ile elektronik teknolojisinin geolarak da "bilgisayar" dediğimiz çok geBu özelliği ile atom anahtann evlerilecekteki birlikteliğini en çarpıcı şekilde lişmiş hesap makınelerinın doğuşuna çok mizde kullandığımız elektrik anahtarlarınvurguluyordu. IBM Almaden Araştırma şeyler borçludur. Şöyle ki, bilgisayarların dan hiçbir farkı yoktu. Fakat atomsal boMerkezi'nden (Kalifomiya) Eigler, Lutr ve daha çok işlemi daha kısa sürede yapayutta işler evdeki kadar kolay değildi. Bu Rudge tek bir atomun haraketi ile çalışan bilmesi ile hem daha önceleri hayal bile edilemeyen çapta kuramsal hesaplamalar ve hem de çok karmaşık deney sistemlerinin hata olasılığı çok düşürülerek kontrolu mümkün kılınabilmiştir. Bu "devrim'in arkasındaki neden bilgisayar yapımında elektron tüplerinden transistörlere, onlardan da tümleşik devrelere geçilmesidir Kısacası "minyatürleşlirme" elektronik teknolojisinin en önemli amaçlarından ve gereksinimlerinden biri durumuna gelmiştir. örneğin son kırk yıldaki gelişmelere bakılarak gelecek yüzyılın başlarında devre elemanlarının büyüklük, hız ve enerji harcaması açılarından termodinamik sınırlarına ulaşması beklenmektedir. Bu hedefe ulaşmada geleneksel yarıiletken teknolojisi yanında yeni ortaya çıkan tekniklerden de yararlanılması kaçınılmazdır. Atom anahtarı nasıl çalışıyor? Son aylardaki gelişmelerle on yıl kadar Atom anahtarının çalışma ilkesi: (A) zenon atomu nikel yüzeyi üzerinde ve STM akımı önce bir temel bilim deneyi olarak planladüşük düzeyde (anahtar açık konumu), (B) uca uygulanan pozitil gerilim sonucu zenon nan bir gerecin minyatürleştirme konuatomu yüzeyden ayrılıp uca yapışıyor, (C) zenon atomu uç üzerinde ve STM akımı yüksunda yeni ufuklar açabileceği ümidi besek düzeyde (anahtar kapalı konumu),(D) uca bu kez negatif gerilim uygulanıyor ve zelirdi 1981in Mart ayında IBM Zürih non atomu yüzeye geri dönüyor. Yandaki gratikte ise Eigler ve arkadaşları tarafından Araştırma Laboratuvarı'nda Gerd Blnnig ölçülen zaman içinde STM akımının değişimi gösteriliyor. Deneyde anahtarın düşük ve ve Helnrich Rohrer ilk kez kontrol edilebiyüksek akım düzeyleri ile bunlar arasında kontröllü değişimler (anahtarın açılıp kapanlir bir vakum aralığından elektron tünelleması) sağlanmıştır. mesini gözlediklerinde buluşları ile o kadar büyülenmişlerdi ki on yıl içerisinde bu gerecin bilimde (ileride de büyük olasılıkla teknolojide) ne gibi atılımlara yol açacağını düşünmeye fırsatları olmamıştı. Taramalı Tünelleme Mikroskobu {Scanning Tunneling Microscope = STM} çok sivri Science dergisinin 31 Mayıs sayısında uçlu bir iğnenin yüzey üzerinde gezdirilyayınlanan bir makale STM için parlak bir mesi ile bir "harita" elde edilmesine dageleceğin bir başka işaretçisiydi. Ameriyanmaktadır Iğne ile yüzey arasındaki ka'da Cornell Üniversitesi bünyesindeki hava ya da vakum aralığında elektronlaUlusal Nanofabrlkasyon Blrlml'nde Noel rın bulunması klasik fizik kurallarına göre Mac Donald ve arkadaşları şimdiye kadar olası değildir. Kuantum mekanik kurallarıyapılabilmiş en küçük STM'İ inşa etmişna göre ise elektronlar bu potansiyel eşilerdi. ğinin içinden sanki tünelleyerek karşı taNormal STM'lerin boyutu kullanım şekrafa geçebilmektedir. (1) 1986 yılında bu line bağlı olarak bir kibrit kutusu büyüklübuluşları nedeniyle Nobel Fizik ödülü'ne ğüne kadar ufalabiliyor. Fakat Mac Oolayık görüldüklerinde ise bu mikroskobun nald'ın STM'İ yalnızca bir saç telinin kestt atomsal ayrıştırma ile yüzey görüntülealanı kadar bir yer kaplıyor Bu STM mikmenin çok ilerisinde gelişmelere yol açaboyunda uç var ve bunlar tanlyede roelektronik teknolojisinin bilinen teknlkcağını öngörüyorlardı. Nitekim, Ağustos 5.000.000 kez llerl gerl salınıyorlar. lerinden yararlanılarak bir silisyum kıymıayı ortasında Isviçre'nin Interlaken kentinMac Donald bu tip "nano STM"ler ile ğı üzerinde şekillendirildi. Şekilde de yapılan 6. Uluslararası Taramalı Tünelduyabllen, koklayabilen, tad alabllen ve görüldüğü gibi elekroststatik "tarak sürüleme Mikroskobu (STM) Konferansı'nda dokunabllen "silisyum duyarga"lar yapcü"ler ve yaylar kesişen iki silisyum köpdünyanın dört bir yanından gelen 1000'e manın mümkün olabileceğini söylüyor. rüye bağlı bir mikro STM ucunu hareket yakın araştırmacının bu konuyu düşünŞimdilik yalnızca STM'in başarılı bir şeettirmekte kullanılıyor. mek ve tartışmak için pek çok nedenleri kilde inşaası tamamlanmış durumda. Asıl Gerçekte STM'de karşılıklı iki tane vlrfls oldu. bir elektronik anahtar yapmayı başarmışlardı (2) Atom anahtarın çalışma ilkesi ve Eigler ile arkadaşlarının elde ettikleri sonuçları aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. STM'in iğnesinin ucu ve altındaki nikel yüzeyi geometrik bir asimetriye sahip olduklarından bir zenon (Xe) atomununu ucu ya da yüzeye bağlı olması değişik iletkenliklere, dolayısıyla değişik akım değerlerine yol açmaktaydı tek atomu ile yüzey arasındaki kontröllü ve güvenilir bir şekilde taşıyacak bir yöntem bulmak gerekliydi. STM'in ilk zamanlannda bazı durumlarda uçtan yüzeye ya da yüzeyden uca malzeme geçişi olabildiği bulunmuş ve bunun mikroskopik gözlemlerde istenmeyen sonuçlara yol açabileceği anlaşılmıştı. Bir grup araştırmacı ise bu malzeme geçişi ilgilenmiş ve bunun teknolojik uygulamalan olabileceğini düşünmüşlerdi. Uçla yüzey arasında kontröllü malzeme geçişi için bir yöntemin varlığı yönünde ilk işaret AT&T Bell Laboratuvarları'ndan Backer ve arkadaşlarından 1987 yılında gelmişti (3). Germanyum yüzeyiyle STM ucu arasında tek bir germanyum atomunun geçişi yüzey değiştirme alanında adeta bir devrimin başlangıcını haber veriyordu. Işte bu deney pekçok araştırmacının son dört yılda gece gündüz üzerinde çalıştıkları bir konunun ilk adımı olarak anılabilir. Kaliforniya'daki Stanford Üniversitesi Elektronik Bölümü profesörlerinden Calvln Ouaie 1987 den itibaren çalışmalarını, STM'den yararlanan hafıza elemanları yapmaya ve diğer bilim adamlarını bu fikrin bir hayal olmadığına ikna etmeye yöneltti. Ouate'in amacı STM kullanan hafıza elemanlarının yapımı ve bilgisayar teknolojisinin hizmetine sunulması idi. örneğin 1000 atomluk bir bölgeye 1 bit bilgi depolayabilecek bir sistem ile Amerikan Kongre Kütüphanesi'ndeki tüm bilgiler (200 terabit = 2x10 bit) 30 cm çapında tek bir silisyum disk üzerine yerleştirilebilecekti (4). Aynı bilgileri günümüzde yoğun bilgi depolama ortamı olarak kullanılan CD'lere yerleştirmek için ise 250 CD gerekiyor. Ouate'in üzerinde durduğu en önemli problem ise veri yazma/okuma hızı Saniyede 10 milyon bit yazma gibi son derece yüksek bir hız ile bile bu diskin yazılması En küçük STM önemli deneyler bundan sonra başlayacak. Calvln Ouate ve arkadaşları İse şu sıralar benzer büyüklükte pek çok STM'İ tek bir silisyum yongası üzerine elektronik kontrol elemanları ile birlikte ve geleceğin hafıza elemanlarını gerçekleştirme yönünde çalışmalarını sürdürüyorlar. 2376