Mod molekylære computere:Første måling af enkeltmolekylær varmeoverførsel

Varmeoverførsel gennem et enkelt molekyle er blevet målt for første gang af et internationalt team af forskere under ledelse af University of Michigan.

Dette kan være et skridt mod molekylær computing - opbygning af kredsløb fra molekyler frem for at skære dem ud af silicium som en måde at maksimere Moores lov og gøre de mest kraftfulde konventionelle computere mulige.

Moores lov begyndte som en observation, at antallet af transistorer i et integreret kredsløb fordobles hvert andet år, fordobling af processorkraftens tæthed. Molekylær computing menes bredt at være Moores lovs slutspil, men mange forhindringer står i vejen, den ene er varmeoverførsel.

"Varme er et problem i molekylær computing, fordi de elektroniske komponenter i det væsentlige er atomerstrenge, der bygger bro mellem to elektroder. Efterhånden som molekylet bliver varmt, atomer vibrerer meget hurtigt, og strengen kan bryde, "sagde Edgar Meyhofer, U-professor i maskinteknik.

Indtil nu, overførsel af varme langs disse molekyler kunne ikke måles, endsige kontrolleret. Men Meyhofer og Pramod Reddy, også professor i maskinteknik ved U-M, har ført det første forsøg til at observere den hastighed, hvormed varme strømmer gennem en molekylær kæde. Deres team omfattede forskere fra Japan, Tyskland og Sydkorea.

"Mens elektroniske aspekter af molekylær computing er blevet undersøgt i de sidste 15 eller 20 år, varmestrømme har været umulige at studere eksperimentelt, "Sagde Reddy." Den hurtigere varme kan forsvinde fra molekylære kryds, de mere pålidelige fremtidige molekylære computerenheder kunne være. "

Meyhofer og Reddy har opbygget evnen til at udføre dette eksperiment i næsten et årti. De har udviklet en varmemåler, eller kalorimeter, der er næsten totalt isoleret fra resten af ​​rummet, gør det muligt at have fremragende termisk følsomhed. De opvarmede kalorimeteret til omkring 20 til 40 Celsius grader over stuetemperaturen.

Kalorimeteret var udstyret med en guldelektrode med en spids i nanometerstørrelse, omtrent en tusindedel tykkelsen af ​​et menneskehår. U-M-gruppen og et team fra Kookmin University, besøger Ann Arbor fra Seoul, Sydkorea, fremstillede en elektrode ved stuetemperatur med en belægning af molekyler (kæder af carbonatomer).

De bragte de to elektroder sammen, indtil de lige rørte ved, hvilket gjorde det muligt for nogle kæder af carbonatomer at fastgøre til kalorimeterets elektrode. Med elektroderne i kontakt, varme strømmer frit fra kalorimeteret, ligesom en elektrisk strøm. Forskerne trak derefter langsomt elektroderne fra hinanden, så kun kæderne af carbonatomer forbandt dem.

I løbet af adskillelsen, disse kæder fortsatte med at rive eller falde væk, den ene efter den anden. Teamet brugte mængden af ​​elektrisk strøm, der strømmer hen over elektroderne, til at udlede, hvor mange molekyler der var tilbage. Samarbejdspartnere ved University of Konstanz i Tyskland og Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University i Japan havde beregnet den forventede strøm, når der kun var et molekyle tilbage - samt den forventede varmeoverførsel på tværs af det molekyle.

Når et enkelt molekyle forblev mellem elektroderne, holdet holdt elektroderne ved denne adskillelse, indtil det brød af sig selv. Dette medførte pludselig, lille stigning i kalorimeterets temperatur, og fra den temperaturstigning, holdet fandt ud af, hvor meget varme der havde strømmet gennem enkeltmolekylets kulstofkæde.

De gennemførte varmestrømforsøg med kulkæder mellem to og 10 atomer lange, men længden af ​​kæden syntes ikke at påvirke den hastighed, hvormed varme bevægede sig gennem den. Varmeoverførselshastigheden var omkring 20 picowatt (20 billioner watt) pr. Grad Celsius forskel mellem kalorimeteret og elektroden, der blev holdt ved stuetemperatur.

"I den makroskopiske verden, for et materiale som kobber eller træ, den termiske ledningsevne falder, når materialets længde stiger. Metallers elektriske ledningsevne følger også en lignende regel, "sagde Longji Cui, første forfatter og en 2018 U-M Ph.D. bestå, i øjeblikket en postdoktor i fysik ved Rice University.

"Imidlertid, tingene er meget forskellige på nanoskalaen, "Cui sagde." Et ekstremt tilfælde er molekylære kryds, hvor kvanteeffekter dominerer deres transportegenskaber. Vi fandt ud af, at den elektriske konduktans falder eksponentielt, når længden stiger, der henviser til, at den termiske konduktans er mere eller mindre den samme. "

Teoretiske forudsigelser tyder på, at varmens lette bevægelse på nanoskalaen holder, selvom molekylkæderne bliver meget længere, 100 nanometer i længden eller mere-cirka 100 gange længden af ​​10-atomskæden testet i denne undersøgelse. Teamet undersøger nu, hvordan man undersøger, om det er sandt.