Moores lag – den välkända fördubblingen av datorchips beräkningskraft var 18:e månad eller så – har taktats upp av en liknande stadig ökning av lagringskapaciteten för hårddiskar. 1980, en hårddisk kan lagra ungefär en halv megabyte data på en kvadrattum diskutrymme; nu, tillverkare närmar sig en miljon megabyte data per kvadrattum.

En experimentell teknik som kallas molekylärt minne, som skulle lagra data i enskilda molekyler, lovar ytterligare 1, 000-faldig ökning av lagringstätheten. Men tidigare system för molekylärt minne har förlitat sig på fysiska system kylda till nära absolut noll. I onlineupplagan den 23 januari av Natur , ett internationellt team av forskare under ledning av Jagadeesh Moodera, en senior forskare vid MIT Department of Physics och vid MIT:s Francis Bitter Magnet Laboratory, beskriver ett nytt molekylärt minnesschema som fungerar runt vattnets fryspunkt – vilket på fysikspråk räknas som "rumstemperatur".

Dessutom, där tidigare scheman krävde att lagra lagringsmolekylerna mellan två ferromagnetiska elektroder, det nya systemet skulle kräva endast en ferromagnetisk elektrod. Det skulle kunna förenkla tillverkningen avsevärt, liksom formen på själva lagringsmolekylerna:eftersom de består av platta ark av kolatomer fästa vid zinkatomer, de kan deponeras i mycket tunna lager med mycket exakta arrangemang.

Lagringsmolekylerna utvecklades av kemister vid Indian Institute of Science Education and Research i Kolkata, som är medförfattare på tidningen Nature. De indiska kemisterna trodde att molekylerna kunde vara användbara för den typ av experimentella enheter som studerats av Mooderas grupp, som använder "spin, "en egenskap hos små partiklar av materia, att representera data.

En halv smörgås

Under Mooderas överinseende, Karthik Raman, sedan doktorand vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik och nu vetenskapsman vid IBM:s forskningslabb i Indien, och Alexander Kamerbeek, en gäststudent från universitetet i Groningen, deponerade en tunn film av materialet på en ferromagnetisk elektrod och lade till en andra ferromagnetisk elektrod ovanpå - standardstrukturen för magnetiska minnen. Tanken är att en relativ förändring i elektrodernas magnetiska orientering orsakar ett plötsligt hopp i enhetens konduktivitet. De två konduktivitetstillstånden representerar 1:orna och 0:orna för binär logik.

Till deras förvåning, dock, MIT-forskarna mätte inte ett utan två hopp i konduktivitet. Det antydde att elektroderna ändrade enhetens konduktivitet oberoende. "Enligt allmän kunskap, detta får inte hända, " säger Moodera.

För att bekräfta sin intuition, forskarna utförde experimentet igen, men istället för att använda två ferromagnetiska elektroder, de använde en ferromagnetisk elektrod och en vanlig metallelektrod, vars enda syfte var att läsa av strömmen som passerade genom molekylen. Verkligen, de fann att hoppet i konduktivitet fortfarande inträffade.

Som Moodera förklarar, förmågan att ändra molekylernas ledningsförmåga med endast en elektrod kan drastiskt förenkla tillverkningen av molekylärt minne. Den nedre elektroden i en minnescell kan placeras i ett perfekt plant lager och lagringsmolekylerna skiktas ovanpå det. Men om nästa lager som ska deponeras är den övre elektroden, dess molekyler tenderar att blandas med lagringsmolekylerna. Om elektroden är magnetisk, att mingel kan äventyra cellens prestanda; om det är metalliskt, det kommer inte.

I en alternativ design, den övre elektroden är en liten spets, som spetsen på ett atomkraftmikroskop, placerad mindre än en nanometer ovanför lagringsmolekylerna. Men igen, en magnetisk elektrod ställer till problem – i det här fallet, genom att begränsa hur tätt lagringscellerna kan packas. Om de är för nära varandra, en magnetisk spets kan ändra den magnetiska orienteringen av celler intill den den är avsedd att adressera. Det är inget problem med icke-magnetiska spetsar.

Stapelbar förvaring

Formen på själva molekylerna skulle också kunna förenkla tillverkningen av molekylärt minne. Vanligtvis, experimentella molekylära minnen består av fem eller sex lager av molekyler inklämda mellan elektroder. Om dessa molekyler är korrekt inriktade, de uppvisar stora svängningar i konduktivitet, men om de inte är det, det gör de inte. Att säkerställa deras korrekta anpassning är en annan arbetsintensiv process.

Molekylerna utvecklade av de indiska forskarna, dock, består av zinkatomer fästa vid platta kolskikt, som naturligt tenderar att stämma överens med varandra. MIT-forskarna visade också att två lager av molekylerna var tillräckliga för att producera en minnescell. "Om du lägger en hel massa molekyler mellan elektroderna, det är svårare att kontrollera, " säger Moodera.

"Omkopplingseffekten nära rumstemperatur beror på den starka interaktionen mellan molekylen och den magnetiska ytan, " tillägger Raman. "Det gör molekylen magnetisk och stabiliserar den."

Jing Shi, en professor i fysik vid University of California i Riverside, påpekar att gigantisk magnetresistans, det fysiska fenomenet som upptäcktes 1988 och som är grunden för de flesta moderna datalagringsenheter, vann sina upptäckare 2007 års Nobelpris i fysik. Moodera, Raman, och deras kollegor "hittade en ny typ av magnetresistans, " Shi says. "This is very novel, because you don't need very complicated material structures." As a consequence, han säger, "The fabrication process could be simpler and very flexible. You only have to prepare this interfacial layer with the desired properties; then you can, i princip, recognize magnetoresistance."

"Självklart, it has some way to go, " Shi adds, "but this is a proof of concept."

Moodera agrees. "This is only the tip of the tip of the iceberg, " he says. At present, the researchers' experimental setup exhibits only a 20 percent change in conductivity, which is probably not enough for a commercial device. Together with researchers at the Peter Grünberg Institute in Jülich, Tyskland, who are also co-authors on the Nature paper, Moodera, Raman, and Kamerbeek have developed a theoretical explanation for the unexpected phenomenon of single-electrode switching. But if they can fill in the gaps in their understanding, Moodera says, they can design new organic molecules that should exhibit higher swings in conductivity. "It's possible to control the shape of organic molecules, " Moodera says. "Every year, chemists come up with hundreds of thousands of them."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.