Kvantemærkelighed giver anledning til ny elektronik

Bemærk de overraskende fremskridt inden for halvlederteknologi, Intels medstifter Gordon Moore foreslog, at antallet af transistorer på en chip vil fordobles hvert år, en observation, der er blevet født, siden han fremsatte påstanden i 1965. Alligevel, Det er usandsynligt, at Moore kunne have forudset omfanget af den elektroniske revolution, der er i gang i øjeblikket.

I dag, en ny race af enheder, med unikke egenskaber, er under udvikling. Mens ultraminiaturiseringen fortsætter hastigt, forskere er begyndt at udforske skæringspunktet mellem fysiske og kemiske egenskaber, der forekommer på molekylær skala.

Fremskridt inden for dette hurtige domæne kan forbedre enheder til datalagring og informationsbehandling og hjælpe med udviklingen af ​​molekylære switches, blandt andre innovationer.

Nongjian "NJ" Tao og hans samarbejdspartnere beskrev for nylig en række undersøgelser af elektrisk ledningsevne gennem enkelte molekyler. At skabe elektronik i denne uendelige skala byder på mange udfordringer. I den ultra-lille verden, kvanteverdenens ejendommelige egenskaber gør sig gældende. Her, elektroner, der flyder som strøm, opfører sig som bølger og er udsat for et fænomen kendt som kvanteinterferens. Evnen til at manipulere dette kvantefænomen kan hjælpe med at åbne døren til nye nanoelektroniske enheder med usædvanlige egenskaber.

"Vi er interesserede i ikke kun at måle kvantefænomener i enkelte molekyler, men også kontrollere dem. Dette giver os mulighed for at forstå den grundlæggende ladningstransport i molekylære systemer og studere nye enhedsfunktioner, " siger Tao.

Tao er direktør for Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. I forskning, der vises i tidsskriftet Naturmaterialer , Tao og kolleger fra Japan, Kina og Storbritannien skitserer eksperimenter, hvor et enkelt organisk molekyle suspenderes mellem et par elektroder, når en strøm føres gennem den lille struktur.

Forskerne udforsker ladningstransportegenskaberne gennem molekylerne. De demonstrerede, at en spøgelsesagtig bølgelignende egenskab af elektroner - kendt som kvanteinterferens - kan moduleres præcist i to forskellige konfigurationer af molekylet, kendt som Para og Meta.

Det viser sig, at kvanteinterferenseffekter kan forårsage betydelig variation i konduktansegenskaberne af molekyleskalaenheder. Ved at kontrollere kvanteinterferensen, gruppen viste, at elektrisk ledningsevne af et enkelt molekyle kan finjusteres over to størrelsesordener. Præcis og kontinuerlig styring af kvanteinterferens ses som en nøgleingrediens i den fremtidige udvikling af vidtfavnende elektronik i molekylær skala, kører ved høj hastighed og lav effekt.

Sådanne enheder med enkelt molekyle kunne potentielt fungere som transistorer, ledninger, ensrettere, switches eller logiske porte og kan finde vej til futuristiske applikationer, herunder superledende kvanteinterferensenheder (SQUID), kvantekryptografi, og kvanteberegning.

For den aktuelle undersøgelse, molekylerne - ringformede kulbrinter, der kan forekomme i forskellige konfigurationer - blev brugt, da de er blandt de enkleste og mest alsidige kandidater til modellering af molekylær elektroniks adfærd og er ideelle til at observere kvanteinterferenseffekter på nanoskala.

For at undersøge måden ladning bevæger sig gennem et enkelt molekyle, der blev foretaget såkaldte break junction-målinger. Testene involverer brug af et scanning tunneling mikroskop eller STM. Det undersøgte molekyle er placeret mellem et guldsubstrat og guldspidsen af ​​STM-enheden. Spidsen af ​​STM bringes gentagne gange ind og ud af kontakt med molekylet, bryde og reformere krydset, mens strømmen passerer gennem hver terminal.

Der blev registreret tusindvis af konduktans- versus afstandsspor, med de særlige molekylære egenskaber af de to molekyler, der blev brugt til eksperimenterne, der ændrer elektronstrømmen gennem krydset. Molekyler i 'Para'-konfigurationen viste højere konduktansværdier end molekyler af 'Meta'-formen, indikerer konstruktiv vs destruktiv kvanteinterferens i molekylerne.

Ved at bruge en teknik kendt som elektrokemisk gating, forskerne var i stand til kontinuerligt at kontrollere konduktansen over to størrelsesordener. I fortiden, ændring af kvanteinterferensegenskaber krævede modifikationer af det ladningsbærende molekyle, der blev brugt til enheden. Den nuværende undersøgelse markerer den første lejlighed til konduktansregulering i et enkelt molekyle.

Som forfatterne bemærker, konduktans på molekylær skala påvirkes følsomt af kvanteinterferens, der involverer molekylets elektronorbitaler. Specifikt, interferens mellem den højest besatte molekylære orbital eller HOMO og den laveste ubesatte molekylære orbital eller LUMO ser ud til at være den dominerende determinant for konduktans i enkelte molekyler. Ved hjælp af en elektrokemisk gate-spænding, kvanteinterferens i molekylerne kunne indstilles omhyggeligt.

Forskerne var i stand til at påvise god overensstemmelse mellem teoretiske beregninger og eksperimentelle resultater, hvilket indikerer, at HOMO- og LUMO-bidragene til konduktansen var additive for Para-molekyler, resulterer i konstruktiv interferens, og subtraktiv for Meta, fører til destruktiv interferens, ligesom bølger i vand kan kombineres og danne en større bølge eller ophæve hinanden, afhængig af deres fase.

Mens tidligere teoretiske beregninger af ladningstransport gennem enkelte molekyler var blevet udført, eksperimentel verifikation har måttet vente på en række fremskridt inden for nanoteknologi, scanning probe mikroskopi, og metoder til at danne elektrisk funktionelle forbindelser af molekyler til metaloverflader. Nu, med evnen til subtilt at ændre konduktansen gennem manipulation af kvanteinterferens, feltet molekylær elektronik er åbent for en bred vifte af innovationer.