Den mindste tænkelige switch:Målrettet protonoverførsel inden for et molekyle

I lang tid har miniaturisering været det magiske ord i elektronik. Dr. Willi Auwaerter og professor Johannes Barth, sammen med deres team af fysikere ved Technische Universitaet Muenchen (TUM), har nu præsenteret en ny molekylær switch i tidsskriftet Naturnanoteknologi . Afgørende for switchens funktionalitet er placeringen af ​​en enkelt proton i en porfyrinring med en indvendig diameter på mindre end et halvt nanometer. Fysikerne kan angive fire forskellige stater efter behov.

Porfiner er ringformede molekyler, der fleksibelt kan ændre deres struktur, gør dem nyttige til en lang række applikationer. Tetraphenylporphyrin er ingen undtagelse:Det kan lide at tage en sadelform og er ikke begrænset i dets funktionalitet, når det er forankret til en metaloverflade. Molekylet indeholder et par hydrogenatomer, der kan ændre deres positioner mellem to konfigurationer hver. Ved stuetemperatur foregår denne proces kontinuerligt med en ekstremt hurtig hastighed.

I deres eksperiment, forskerne undertrykte denne spontane bevægelse ved at afkøle prøven. Dette tillod dem at fremkalde og observere hele processen i et enkelt molekyle ved hjælp af et scannende tunnelmikroskop. Denne slags mikroskop er særligt velegnet til opgaven, da den - i modsætning til andre metoder - ikke kun kan bruges til at bestemme de indledende og sidste tilstande, men tillader også fysikerne at styre brintatomerne direkte. I et yderligere trin fjernede de en af ​​de to protoner fra indersiden af ​​porfyrinringen. Den resterende proton kunne nu indtage en af ​​fire positioner. En lille strøm, der strømmer gennem den fine spids af mikroskopet, stimulerer protonoverførslen, indstilling af en bestemt konfiguration i processen.

Selvom de respektive positioner af hydrogenatomerne hverken påvirker molekylets grundstruktur eller dets binding til den metalliske overflade, staterne er ikke identiske. Denne lille, men betydelige forskel, taget sammen med, at processen vilkårligt kan gentages, danner grundlaget for en switch, hvis tilstand kan ændres op til 500 gange i sekundet. En enkelt tunneleret elektron starter protonoverførslen.

Den molekylære switch har et overfladeareal på kun et kvadrat nanometer, hvilket gør det til den mindste switch, der er implementeret til dato. Fysikerne er begejstrede for deres demonstration og er også meget glade for ny indsigt i mekanismen bag protonoverførslen som følge af deres undersøgelse. Knud Seufert spillede en nøglerolle med sine eksperimenter:"At betjene en firestatsswitch ved at flytte en enkelt proton inden i et molekyle er virkelig fascinerende og repræsenterer et sandt skridt fremad i nanoskala-teknologier."