Elektronik spiller efter et nyt sæt regler på molekylær skala

(Phys.org) - I et papir udgivet i Natur nanonteknologi den 2. september, 2012, forskere fra DOE's Brookhaven National Laboratory og Columbia University's afdelinger for kemi og anvendt fysik udforsker de love, der styrer elektronisk ledningsevne i kredsløb i molekylær skala.

"Alle, der har arbejdet med grundlæggende elektroniske kredsløb, ved, at der er nogle enkle færdselsregler, ligesom Ohms lov, " forklarer samarbejdspartner Mark Hybertsen, en fysiker ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). Hybertsen leverede teorien til at modellere den observerede kredsløbsadfærd med CFN's beregningsværktøjer. "I flere år har vi stillet grundlæggende spørgsmål for at undersøge, hvordan disse regler kan være anderledes, hvis det elektroniske kredsløb er krympet ned til skalaen af ​​et enkelt molekyle."

Konduktans måler i hvilken grad et kredsløb leder elektricitet. I et simpelt kredsløb, hvis du tilslutter modstandene parallelt, elektronerne kan strømme gennem to forskellige veje. I dette tilfælde, konduktansen af ​​det fulde kredsløb vil simpelthen være summen af ​​konduktansen af ​​hver modstand.

Imidlertid, i et molekylært kredsløb, reglerne, der styrer strømningen, involverer nu fundamental kvantemekanik. I de fleste enkelt-molekyle kredsløb, molekylerne opfører sig ikke som konventionelle modstande; i stedet, elektronerne går gennem molekylet. Når molekylet tilbyder to veje parallelt, den bølgelignende bevægelse af en elektron kan dramatisk ændre den måde, hvorpå konduktansen lægger op. For flere år, eksperter i nanoteknologi har mistænkt - men ikke bevist - at kvanteinterferenseffekter gør konduktansen af ​​et kredsløb med to veje op til fire gange højere end konduktansen af ​​et kredsløb med en enkelt vej.

For at undersøge disse kvantemekaniske effekter yderligere, videnskabsmændene havde brug for at konstruere deres egne kontrollerbare kredsløb i nanostørrelse. Arbejder med Ronald Breslows gruppe i Columbia, de designede og syntetiserede en række molekyler til brug i eksperimentet.

"Det er virkelig udfordrende at lave et kredsløb fra et enkelt molekyle, " siger Latha Venkataraman, en Columbia Engineering Applied Physics professor, hvis gruppe perfektionerede den metode, der blev brugt til at lave de molekylære kredsløb. "Forestil dig at prøve at røre ved de to ender af et molekyle, der kun er ti atomer langt."

For at lave kredsløbene, Venkataramans gruppe tilpassede et scanning tunneling mikroskop (STM) apparat til gentagne gange at trykke en skarp guldspids ind i en anden guldelektrode og derefter trække den væk. Når dette kryds går i stykker, der er et øjeblik, hvor afstanden mellem de to stykker guld passer perfekt til molekylet. Når kredsløbssystemet er sat op, konduktansmålingen er hurtig og kan gentages tusindvis af gange for at få statistisk pålidelige data.

Ved at bruge denne tilgang, forskerne opdagede, at molekylerne med to indbyggede baner som den, der er visualiseret i figuren til højre, havde en ledningsevne, der var større end summen af ​​hver arms ledningsevne, selvom stigningen ikke var så stor, som de havde regnet med. For bedre at forstå denne effekt, Columbias Hector Vasquez arbejdede sammen med Hybertsen om beregningsmæssigt at simulere den kvantemekaniske transmission af en elektron gennem hvert kredsløb.

"Både målingerne og simuleringerne viser, at molekylerne med to parallelle veje kan have en konduktans, der er større end to gange den af ​​molekyler med en enkelt vej, " sagde Hybertsen. "Dette er signaturen på, at kvanteinterferenseffekten spiller en rolle."

Gruppen har mistanke om, at andre faktorer, såsom arten af ​​molekylets binding til elektroderne, skal overvejes, når man beregner konduktansen af ​​et molekylært kredsløb. De undersøger i øjeblikket andre centrale spørgsmål om molekylær elektronik, herunder hvordan enheden ændrer sig, når der bruges forskellige metaller.