Udnyttelse af kvanteegenskaber til at skabe enheder med enkelt molekyle

Forskere, ledet af Columbia Engineering Professor Latha Venkataraman, rapporter i dag, at de har opdaget et nyt kemisk designprincip til at udnytte destruktiv kvanteinterferens. De brugte deres tilgang til at skabe en seks nanometer enkelt-molekyle switch, hvor on-state-strømmen er mere end 10, 000 gange større end off-state-strømmen - den største ændring i strøm, der er opnået for et enkelt-molekyle kredsløb til dato.

Denne nye switch er afhængig af en type kvanteinterferens, der ikke har, indtil nu, blevet udforsket. Forskerne brugte lange molekyler med en speciel central enhed til at øge destruktiv kvanteinterferens mellem forskellige elektroniske energiniveauer. De demonstrerede, at deres tilgang kan bruges til at producere meget stabile og reproducerbare enkeltmolekyle-afbrydere ved stuetemperatur, der kan bære strømme, der overstiger 0,1 mikroampere i tændt tilstand. Længden af ​​switchen svarer til størrelsen af ​​de mindste computerchips på markedet i øjeblikket, og dens egenskaber nærmer sig de kommercielle switches. Undersøgelsen er offentliggjort i dag i Natur nanoteknologi .

"Vi observerede transport over en seks nanometer molekyltråd, hvilket er bemærkelsesværdigt, da transport over så lange skalaer sjældent observeres, " sagde Venkataraman, Lawrence Gussman professor i anvendt fysik, professor i kemi, og viceprost for fakultetsanliggender. "Faktisk, dette er det længste molekyle, vi nogensinde har målt i vores laboratorium."

I løbet af de sidste 45 år, støt fald i transistorstørrelse har muliggjort dramatiske forbedringer i computerbehandling og stadigt faldende enhedsstørrelser. Nutidens smartphones indeholder hundredvis af millioner transistorer lavet af silicium. Imidlertid, nuværende metoder til fremstilling af transistorer nærmer sig hurtigt størrelses- og ydeevnegrænserne for silicium. Så, hvis computerbehandlingen skal udvikle sig, forskere skal udvikle koblingsmekanismer, der kan bruges med nye materialer.

Venkataraman er på forkant med molekylær elektronik. Hendes laboratorium måler grundlæggende egenskaber ved enkeltmolekylære enheder, søger at forstå samspillet mellem fysik, kemi, og teknik på nanometerskalaen. Hun er især interesseret i at få en dybere forståelse af elektrontransportens fundamentale fysik, samtidig med at de lægger grunden til teknologiske fremskridt.

På nanometerskalaen, elektroner opfører sig som bølger i stedet for partikler, og elektrontransport sker via tunnelering. Som bølger på vandoverfladen, elektronbølger kan konstruktivt interferere eller destruktivt interferere. Dette resulterer i ikke-lineære processer. For eksempel, hvis to bølger konstruktivt interfererer, amplituden (eller højden) af den resulterende bølge er mere end summen af ​​de to uafhængige bølger. To bølger kan udlignes fuldstændigt med destruktiv interferens.

"Det faktum, at elektroner opfører sig som bølger, er essensen af ​​kvantemekanikken, " bemærkede Venkataraman.

På molekylær skala, kvantemekaniske effekter dominerer elektrontransport. Forskere har længe forudsagt, at de ikke-lineære effekter produceret af kvanteinterferens skulle muliggøre enkelt-molekyle switches med store on/off-forhold. Hvis de kunne udnytte de kvantemekaniske egenskaber af molekyler til at lave kredsløbselementer, de kunne aktivere hurtigere, mindre, og mere energieffektive enheder, inklusive kontakter.

"At lave transistorer ud af enkelte molekyler repræsenterer den ultimative grænse med hensyn til miniaturisering og har potentialet til at muliggøre eksponentielt hurtigere behandling og samtidig reducere strømforbruget, " sagde Venkataraman. "At lave enheder med enkelt molekyle, der er stabile og i stand til at opretholde gentagne skiftecyklusser, er en ikke-triviel opgave. Vores resultater baner vejen for at lave enkeltmolekyle transistorer."

En almindelig analogi er at tænke på transistorer som en ventil på et rør. Når ventilen er åben, vand strømmer gennem røret. Når den er lukket, vandet er blokeret. I transistorer, vandstrømmen erstattes med strømmen af ​​elektroner, eller nuværende. I staten, strømmen flyder. I den off-state, strømmen er blokeret. Ideelt set mængden af ​​strøm, der flyder i tænd- og slukketilstanden, skal være meget forskellig; Ellers, transistoren er som et utæt rør, hvor det er svært at sige, om ventilen er åben eller lukket. Da transistorer fungerer som omskiftere, et første skridt i at designe molekylære transistorer er at designe systemer, hvor du kan skifte strømflow mellem en on- og off-tilstand. De fleste tidligere designs, imidlertid, har skabt utætte transistorer ved at bruge korte molekyler, hvor forskellen mellem on- og off-tilstanden ikke var signifikant.

For at overvinde dette, Venkataraman og hendes team stod over for en række forhindringer. Deres største udfordring var at bruge kemiske designprincipper til at skabe molekylære kredsløb, hvor kvanteinterferenseffekter kraftigt kunne undertrykke strøm i off-tilstand, dermed afbøde lækageproblemerne.

"Det er svært helt at slukke for strøm i korte molekyler på grund af den større sandsynlighed for kvantemekanisk tunneling på tværs af kortere længdeskalaer" forklarede studiets hovedforfatter Julia Greenwald, en ph.d. studerende i Venkataramans laboratorium. "Det omvendte er tilfældet for lange molekyler, hvor det ofte er svært at opnå høje on-state strømme, fordi sandsynligheden for tunnelering falder med længden. De kredsløb, vi har designet, er unikke på grund af deres længde og deres store tænd/sluk-forhold; vi er nu i stand til at opnå både en høj on-state-strøm og meget lav off-state-strøm."

Venkataramans team skabte deres enheder ved hjælp af lange molekyler syntetiseret af samarbejdspartner Peter Skabara, Ramsay formand for kemi, og hans gruppe ved University of Glasgow. Lange molekyler er nemme at fange mellem metalkontakter for at skabe enkelt-molekyle kredsløb. Kredsløbene er meget stabile og kan gentagne gange opretholde høje påførte spændinger (over 1,5 V). Molekylernes elektroniske struktur øger interferenseffekter, muliggør en udtalt ulinearitet i strøm som funktion af påført spænding, hvilket fører til et meget stort forhold mellem on-state-strøm og off-state-strøm.

Forskerne fortsætter med at arbejde med holdet ved University of Glasgow for at se, om deres designtilgang kan anvendes på andre molekyler, og at udvikle et system, hvor switchen kan udløses af en ekstern stimulus.

"Vores opbygning af en switch ud af et enkelt molekyle er et meget spændende skridt mod bottom-up design af materialer ved hjælp af molekylære byggesten, Greenwald sagde. "At bygge elektroniske enheder med enkelte molekyler, der fungerer som kredsløbskomponenter, ville være virkelig transformerende."

Undersøgelsen har titlen "Meget ikke-lineær transport på tværs af enkelt-molekyle junctions via destruktiv kvanteinterferens."