Die Wissenschaft sucht nach neuen Möglichkeiten, Computerleistungen weiter erhöhen zu können, nachdem absehbar ist, dass die Miniaturisierung von Halbleitern an ihre Grenzen stößt. Einen erfolgsversprechenden Weg verfolgt eine Arbeitsgruppe an der National University of Singapore. Damit würde die binäre Signalverarbeitung enden: Null und Eins. Das neues Molekül könnte Komponenten aus wenigen Hundert Atomen möglich machen, die zudem logische Befehle ermöglichen. Das funktioniert nur, weil die untersuchte Struktur mehr Zustände als zwei zulässt – nämlich fünf. Und das Molekül kann sich seine letzten Zustände „merken“.  Dadurch könnte die neue Technologie zum einen mit weniger Speicherzugriffen auskommen und zum anderen komplexere Signale verarbeiten. Die Vorlage für das neue Material kam aus einem Supercomputer, den jeder von uns besitzt: dem menschlichen Gehirn. Wie der „molekulare Memristor“ genau funktioniert, berichteten die Wissenschaftler in dem Magazin Nature.

Die Wissenschaftler suchten nach einem Material, dass die Leistung von Logikschaltern verbessert. Fündig wurden sie beim Metall Eisen. Das dazugehörige Atom binden und stabilisieren drei stickstoffhaltige, organische Moleküle. Wenn man Spannung an das neue Molekül anlegt, kann man zwischen verschiedenen Leitungszuständen „umschalten“. Zudem „merkt“ sich die Anordnung, welchen Zustand sie zuletzt hatte. Ein Bauteil, das zwischen leitend und nicht-leitend geschaltet werden kann – und diese Zustandsänderung speichert –, nennt man Memristor. Diese Nano-Komponenten gelten laut dem Fachmagazin Spektrum als wesentliches Element künftiger Hochleistungselektronik.

Das Molekül aus Singapur kann sogar noch mehr: Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Memristor lässt es sich nicht nur zwischen zwei, sondern gleich zwischen fünf unterschiedlichen Zuständen schalten. Für diese fünf Schaltungen gibt es acht verschiedene Übergänge. Das heißt, schon auf Molekularebene ließen sich vergleichsweise komplexe Logiken implementieren. Möglich wird das durch den Elektronenaustausch des Eisenatoms mit den Stickstoff-Verbindungen. An der Verteilung der Elektronen kann man ablesen, welche Spannung angelegt und in welchem (Elektronen-)Zustand das Molekül vorher war.

Da man über Ladung und Elektronen-Verteilung die vergangenen Zustände nachvollziehen kann, lassen sich ganze Entscheidungsbäume abbilden. Das Ausgangssignal könnte demnach abhängig von gleich mehreren Eingangssignalen sein und so etwa logische Verknüpfungen wie AND, OR oder XOR ausführen, schreibt das Team um den Physikprofessor Sreetosh Goswami. In ihrer Studie erklären sie, dass Experimente mit dynamisch rekonfigurierbarer, kommutativer und nicht-kommutativer zustandsabhängiger Logik in multivariablen Entscheidungsbäumen gelungen sind. Zudem müssen die Ergebnisse nicht mehr in Register geschrieben werden, weil die Moleküle eigene Zustandsspeicher besitzen. Bis zur Serienreife vergehen aber sicherlich noch viele Jahre, denn wie sich die Bauteile verhalten, wenn sie wirklich in nanometergroßen Schaltkreisen verbaut sind, ist zum Beispiel noch nicht erforscht.