ОБЗОР МОЛЕКУЛЯРНЫХ КТКА

В качестве альтернативы классическим подходам реализации квантово – точечных клеточных автоматов предлагается еще не реализованный метод, который состоит в создании устройств КТКА из отдельных молекул, известных как молекулярные КТКА (МКТКА). Преимущества решения МКТКА, которые делают его превосходящим другие, - это высокосимметричная структура ячейки, сверхвысокие скорости переключения, чрезвычайно высокая плотность устройства, работа при комнатной температуре и даже возможность создания массовых устройств посредством самосборки молекул [2, с. 127]. Однако ряд технических проблем, включая выбор молекул, разработку правильных механизмов взаимодействия и технологию синхронизации, еще предстоит решить, прежде чем этот подход может быть экспериментально продемонстрирован. Обсудим молекулярные КТКА далее.

Поскольку парадигма КТКА особенно хорошо соответствует задаче молекулярной электроники, более естественно реализовать устройства КТКА с использованием молекул. Установлено, что метод МКТКА является наиболее перспективным среди всех предлагаемых новых технологий, из-за того, что имеет молекулярные размеры устройства, и позволяет проводить расчеты при комнатной температуре [1, с. 22]. При этом скорость переключения может достигать ожидаемых высоких рабочих частот (до Тгц), а также высокой плотности устройства. В частности, подход МКТКА является аналогом металл-точечной реализации КТКА и оба они используют конфигурацию мобильных зарядов для определения логических состояний и двоичная информация передается через электростатическое взаимодействие.

Однако внутри МКТКА квантовые точки обслуживаются окислительно-восстановительными центрами молекул в качестве загрузочных контейнеров. Это связано с тем, что центр окислительно-восстановительного потенциала может добавить электрон (восстанавливаться) или потерять электрон (окисляться) без разрушения химических связей. Поэтому окислительно-восстановительный центр может характеризоваться низколежащими несвязывающими (π или d) орбиталями. Вообще говоря, молекула находится в нейтральной форме, тогда как производительность вычислений МКТКА [5, с. 101] может быть повышена, если такая молекула находится в окисленной или восстановленной форме. В окисленной молекуле отсутствует электрон и его чистый заряд положителен; в приведенной форме молекула притягивает электрон, что приводит к отрицательному сетевому заряду. Вследствие этого молекула и соответствующий ей противоион образуют нейтральную систему.

Другим возможным способом окисления или уменьшения молекулы является циклическая вольтамперометрия (ЦВ), поэтому процессы окислительно-восстановительных центров электрически переносятся вне.

Рисунок 1. Внедрение окисленной молекулы с двумя окислительно-восстановительными центрами: (A) молекула эскиз; (B) кодирование логической «1»; (C) переходное состояние для переключения и (D) логический «0»

На рис. 1 показана схематически упрощенная окисленная молекула с двумя окислительно-восстановительными центрами (две точки). Электрон свободно перемещается вдоль туннельного пути и, в конечном счете, локализуется в один из двух участков окислительно-восстановительного потенциала, доступных молекуле. Кодирование бинарной информации соответствует конфигурации заряда молекулы: например, когда единичный положительный заряд + e находится в зоне окислительно-восстановительного потенциала слева (на рис. 1 (B)), молекула в логическом состоянии «1». Если положительный заряд + е занимает правый участок (рис. 1 (D)), то молекула находится в противоположном логическом состоянии «0» [3, с. 13]. Помимо этих конфигураций заряда для кодирования информации, переходное состояние переключения, соответствующее свободному электрону, движущемуся вдоль туннельного пути от одной точки к другой, также показано на рис. 1 (C). Промежуточный символ (вытянутый экзагон) представляет собой центральную часть молекулы, которая немного активна с электростатической точки зрения. Кроме того, он действует как канал, способствующий движению заряда, а также разделитель, чтобы положительный заряд полностью распределялся на одной из двух точек.

Одна молекула должна иметь больше конфигураций заряда, принятых в цепи МКТКА с большим количеством молекул, чтобы избежать проблемы мета-стабильности во время переключения состояний. Поэтому одна ячейка КТКА должна располагать шесть точек. Поскольку одна молекула естественным образом рассматривается как половина клетки, а полная клетка МКТКА требует объединения двух одинаковых молекул, молекула теперь должна обладать тремя точками, т.е. окислительно-восстановительными центрами (ОВЦ), как показано на рис. 2. Дополнительный третий ОВЦ необходим для кодирования нулевого состояния, в котором для окисленной молекулы положительный заряд +e занимает центральную точку. Представление полуклетки трехточечной молекулой и полной ячейкой МКТКА с двумя молекулами, выровненными вместе, показано на рис. 3. В частности, две полуклетки [4, с. 34] взаимодействуют друг с другом через электростатические силы среди свободных зарядов, которые стремятся локализоваться внутри каждой молекулы, чтобы минимизировать энергию клетки. Следовательно, свободные заряды могут занимать точки вдоль антиподовых участков квадратной ячейки. По той же логике электростатические взаимодействия также определяют конфигурацию заряда (или логическое состояние) соседних ячеек.

Рисунок 2. Кодирование состояния 3-точечной молекулы

Рисунок 3. Полная ячейка КТКА и взаимодействие между ячейками (вид сверху)

Список литературы:

1. Toth G., Lent C. S. Quasiadiabatic switching for metal-island quantum-dot cellular automata //Journal of Applied Physics. – 1999. – Т. 85. – №. 5. – С. 2977-2984.
2. Lent C. S., Tougaw P. D. A device architecture for computing with quantum dots //Proceedings of the IEEE. – 1997. – Т. 85. – №. 4. – С. 541-557.
3. Wang R. Analysis and Modulation of Molecular Quantum-dot Cellular Automata (QCA) Devices. – 2019.
4. Piccinini G. Effectiveness of Molecules for Quantum Cellular Automata as Computing Devices. – 2019.
5. Pintus A. M. et al. Molecular QCA embedding in microporous materials //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2019. Дзидзигури, Э.Л. Процессы получения наночастиц и наноматериалов. Нанотехнологии: учебное пособие / Э.Л. Дзидзигури, Е.Н. Сидорова. — Москва: МИСИС, 2012. — 71 с.
6. Pulimeno A. et al. Simulation of a molecular QCA wire. – 2019.