Молекулярная память. 
Наноэлектроника

Одной из рациональных конструкций молекулярной памяти является прототип системы памяти, использующей в качестве ячеек памяти молекулы протеина. Особенно привлекателен для исследователей бактериородопсин. Бактериородопсин (bacteriorhodopsin, от греч. bakterion — «палочка», rhodon — «роза» и opsis — «зрение») — мембранный светочувствительный белок микроорганизмов Halobacterium halobium, живущих в соленых озерах и солончаках. Бактериородопсин содержится в пурпурной фракции мембран этих микроорганизмов. Он обладает семидоменной «змеевидной» структурой и связан с хромофором ретиналем. Бактериородопсин выполняет функцию светозависимого протонного насоса: поглощение кванта света ретиналем приводит к быстрым структурным изменениям в молекуле, в результате чего осуществляется перенос протона из цитоплазмы в окружающую среду; после этого бактериородопсин возвращается в исходное состояние.

Такой протонный насос управляется световым потоком. Установлено, что на каждый поглощенный фотон через мембрану переносится два протона. Фотоцикл представляет собой последовательность структурных изменений молекул при реакции со светом. При этом молекула выполняет функции логического элемента с запоминанием типа И или бистабильной ячейки типа триггера. Логические значения «О» и «1» являются промежуточными состояниями молекулы и годами могут оставаться стабильными. Вместе с тем эти два состояния имеют заметно различающиеся спектры поглощения, что делает возможной их идентификацию.

Бактериородопсин стал основой создания запоминающего устройства с использованием трехмерной матрицы. Эта матрица представляет собой прозрачную кювету размером 1x1x2 дюйма, заполненную полиакридным гелем и протеином. Протеин, который находится в состоянии логического нуля (bR-состояние), фиксируется в пространстве при полимеризации геля.

Световой модулятор представляет собой жидкокристаллическую панель, на которой информация отображается в виде матрицы из светлых и темных пикселей. Информационный массив макета состит из 4096×4096 бит. Для записи и считывания информации используется детектор, формируемый на базе прибора с зарядовой инжекцией (Charge Injection Device, CID) (рис. 5.65).

На первом этапе активации массива зажигается зеленый «страничный» лазер, который переводит молекулы бактериородопсина в состояние логической единицы, или Q-состояние.

а б в.

Рис. 5.65. Молекулярное запоминающее устройство на бактериородопсине:

а — этап активации устройства; б — этап записи; в — этап считывания информации На этане записи информации посредством записывающего лазера красного света, располагающегося под прямым углом по отношению к лазеру желтого света, освещается световой модулятор. С его помощью на пути луча создается транспарант, поэтому облучению подвергаются только определенные точки страницы. В этих местах молекулы в (2-состоянии и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное 6/?-состояние и будет представлять нули двоичной логики. Информация считывается с помощью «страничного» лазера. В этом случае информация переводится в (^-состояние, что позволит в дальнейшем идентифицировать двоичные нули и единицы с помощью различия в спектрах поглощения. Через 2 мс после этого страница облучается красным лазером низкой интенсивности излучения. Низкая интенсивность нужна для того, чтобы предупредить переход молекул в Q-состояние. Молекулы, представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу — не реагируют на него. Формируется рисунок из светлых и темных пятен на жидкокристаллической матрице.

На этапе стирания молекулы из Q-состояния возвращаются в исходное bR-состояние с помощью короткого импульса синего лазера или с помощью обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности данных при выборочном стирании страниц применяется кеширование нескольких смежных страниц. При операциях записи-чтения, чтобы защититься от ошибок, используют код с общей проверкой на четность. Возможно более 5000 циклов запись-чтение. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если происходит 1024 чтения, то страница регенерируется с помощью новой операции записи. Суммарное время выполнения операции записи или чтения составляет около 10 мс.

Рассматриваемая система по быстродействию близка к полупроводниковой памяти. Объем памяти кюветы с протеином оценивается величиной порядка 1 Тбит данных. Ограничения на информационную емкость связаны с проблемами линзовой системы и качеством протеина. К преимуществам перед полупроводниковой памятью следует отнести малую стоимость протеина, который производится в большом количестве благодаря достижениям генной инженерии. Молекулярная память может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. Молекулярная память энергонезависима, не содержит движущихся частей и архив такой памяти весьма информационно емкий (~3 Гбит/см²).

Большой интерес к молетронике объясняется возможностями построения компьютера, создания эффективных преобразователей солнечной энергии, разработки нового класса приемников изображения на принципах строения человеческого глаза, сенсоров из органических молекул для контроля экологии.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что такое молекулярная электроника?
• 2. Какова роль процессов туннелирования электронов в молекулярных системах?
• 3. Что такое солитон в молекулярных системах?
• 4. Как построены элементы логики в молекулярных системах?
• 5. Что представляет собой молекулярная память на бактериородопсине?

Литература

• 1. Пети, М. Молекулярная электроника: пер. с англ. / М. Пети. — Долгопрудный: Интеллект, 2008.
• 2. Пул, Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. — М.: Техносфера, 2004.
• 3. Рамбиди, Н. Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры / Н. Г. Рамбиди. — М.: Физматлит, 2007.
• 4. Щука, А. А. Функциональная электроника: учебник для вузов / А. А. Щука. — М.: Изд-во МИРЭА, 1998.