近日，IBM公司的科學家們在美國《科學》雜誌宣布了兩項原子尺度的科學突破：第一項是在了解單個原子保持一定的磁方向、從而使其具備適合未來數據存儲應用的能力方面所邁出的重要一步；第二項是一個分子內不同原子之間及不同分子彼此之間的一個邏輯開關，它們是分子計算機的潛在構造單元。這兩項重大突破為研製原子尺度的結構和裝置奠定了基礎。
雖然這兩項突破性研究成果的最終應用與實踐還將有很長的路要走，但它卻可以促進IBM公司及其他研究機構的科學家繼續推動納米領域技術的發展，即探索如何利用只有幾個原子或分子的超小型部件來製造結構和裝置。這樣的裝置在未來也許可以用作計算機晶片、存儲裝置和傳感器。
微觀世界的科學：了解原子的磁性
你能設想將3萬部電影或整個YouTube網站的內容放進iPod大小的裝置中馬？納米技術可以實現這個夢想。要讓納米技術發揮威力，就必需要了解並利用原子的特性；但是要處理大小只有一根頭髮絲寬度的幾萬分之一的粒子卻並非易事。
在第一篇研究報告中，美國加州聖何塞市IBM公司阿爾馬登研究中心的科學家們在探索單個原子「磁各向異性」特性方面取得了重大科學進展。他們用IBM低溫掃描隧道顯微鏡（STM）對單個鐵原子進行控制並觀察將他們以原子等級的精度排列在一個特製的銅表面上的情況。在此基礎上，他們確定了各個鐵原子的磁各向異性的取向和強度。在這一研究成果公布之前，人們一直無法測定單獨一個原子的「磁各向異性」，而原子的這一基本屬性可以決定其存儲信息的能力，因此具有非常重要的技術意義。IBM科學家Cyrus Hirjibeheden說：「長期以來我們一直試圖在極其微小的介質上存儲信息。我們知道每個原子都具備一項最基本的特點，即起到微型磁鐵的效果。如果能在一段時間內穩定其磁性方向，那麼我們就能利用原子儲存信息。這也是我們工作的難點。」
這一突破還可能導致體積非常小的新型結構和裝置的問世，並可應用於傳統計算之外的全新領域和學科。「IT行業今天所面臨的主要挑戰之一是如何將數據存儲的數位儘可能的縮小，同時增加存儲容量，」 IBM公司阿爾馬登研究中心負責科學技術工作的經理Gian-Luca Bona說，「我們的研究工作處於最前沿領域，而且我們現在距離弄清怎樣在原子尺度上來存儲數據已經更近一步了。了解原子的特定磁性能是尋找新的、更有效的數據存儲方式的基礎。」
超小型裝置: 單分子邏輯開關
在第二篇研究報告中，瑞士IBM蘇黎世研究實驗室的科學家們描述了第一個單分子開關，它能夠在不破壞分子外框架的同時進行準確無誤的操作。這是朝著製造比今天的計算機晶片和記憶裝置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的計算元件方向上所邁出的重要一步。
除了在一個分子內進行切換（開關）外，研究人員還演示了一個分子內的原子如何與相鄰分子中的原子進行切換，這實際上就構成了一個基礎邏輯元件。這種切換之所以成為可能，部分原因是分子框架沒有被破壞。
計算機晶片內的開關與光開關的作用方式一樣，用來打開和關閉電子流並將它們放到一起，構成邏輯門，即構成計算機處理器的電路。開關尺寸越小，電路尺寸也就相應的小，從而有可能將更多的電路集成到一個處理器上，同時還可以提高速度和性能。以前，IBM公司及其他機構的研究人員曾經嘗試過在單個分子內進行開關，但這些分子在開關時會改變形狀，從而不適合構造計算機晶片或記憶元件的邏輯門。
今天，IBM公司的研究人員能夠利用萘酞菁（naphthalocyanine）有機分子內的兩個氫原子將單獨一個分子打開和關閉。這種分子開關的出現使得製造尺寸超小、但是速度堪比超級計算機的晶片成為可能；甚至還有可能產生只有一丁點灰塵那麼大或可以放到針尖上的計算機晶片。
傳統基於矽的CMOS晶片的開發正在接近其物理極限，因此目前IT行業正在探索新的、真正具有突破性的技術，以進一步提高計算機的性能。模塊化分子邏輯是一個可能的候選方案，雖然將其應用於具體實踐仍然還需要幾年時間。