Kvanteinterferens kan føre til mindre, hurtigere og mere energieffektive transistorer

Et internationalt team af forskere fra Queen Mary University of London, University of Oxford, Lancaster University og University of Waterloo har udviklet en ny enkeltmolekyle transistor, der bruger kvanteinterferens til at styre strømmen af ​​elektroner. Transistoren, som er beskrevet i et papir offentliggjort i Nature Nanotechnology , åbner nye muligheder for at bruge kvanteeffekter i elektroniske enheder.

Transistorer er de grundlæggende byggesten i moderne elektronik. De bruges til at forstærke og skifte elektriske signaler, og de er essentielle for alt fra smartphones til rumskibe. Men den traditionelle metode til fremstilling af transistorer, som involverer ætsning af silicium i små kanaler, er ved at nå sine grænser.

Efterhånden som transistorer bliver mindre, bliver de mere og mere ineffektive og modtagelige for fejl, da elektroner kan lække gennem enheden, selv når den formodes at være slukket, ved en proces kendt som kvantetunneling. Forskere udforsker nye typer koblingsmekanismer, der kan bruges med forskellige materialer for at fjerne denne effekt.

I de nanoskalastrukturer, som professor Jan Mol, Dr. James Thomas og deres gruppe studerer på Queen Mary's School of Physical and Chemical Sciences, dominerer kvantemekaniske effekter, og elektroner opfører sig som bølger frem for partikler. Ved at udnytte disse kvanteeffekter byggede forskerne en ny transistor.

Transistorens ledende kanal er et enkelt zinkporphyrin, et molekyle, der kan lede elektricitet. Porphyrinet er klemt mellem to grafenelektroder, og når der påføres en spænding til elektroderne, kan elektronstrømmen gennem molekylet styres ved hjælp af kvanteinterferens.

Interferens er et fænomen, der opstår, når to bølger interagerer med hinanden og enten ophæver hinanden (destruktiv interferens) eller forstærker hinanden (konstruktiv interferens). I den nye transistors tilfælde tændte og slukkede forskere transistoren ved at kontrollere, om elektronerne interfererer konstruktivt (tændt) eller destruktivt (slukket), når de strømmer gennem zinkporfyrinmolekylet.

Forskerne fandt ud af, at den nye transistor har et meget højt on/off-forhold, hvilket betyder, at den kan tændes og slukkes meget præcist. Destruktiv kvanteinterferens spiller en afgørende rolle i dette ved at eliminere den utætte elektronstrøm fra kvantetunnelering gennem transistoren, når den skal være slukket.

De fandt også ud af, at transistoren er meget stabil. Tidligere transistorer lavet af et enkelt molekyle har kun været i stand til at demonstrere en håndfuld skiftecyklusser. Denne enhed kan dog betjenes i hundredtusindvis af cyklusser uden at gå i stykker.

"Kvanteinterferens er et stærkt fænomen, som har potentiale til at blive brugt i en lang række elektronikapplikationer," sagde hovedforfatter Dr. James Thomas, Lektor i Quantum Technologies ved Queen Mary. "Vi mener, at vores arbejde er et væsentligt skridt hen imod at realisere dette potentiale."

"Vores resultater viser, at kvanteinterferens kan bruges til at styre strømmen af ​​elektroner i transistorer, og at dette kan gøres på en måde, der er både effektiv og pålidelig," siger medforfatter professor Jan Mol. "Dette kan føre til udviklingen af ​​nye typer transistorer, der er mindre, hurtigere og mere energieffektive end nuværende enheder."

Forskerne fandt også ud af, at kvanteinterferenseffekterne kunne bruges til at forbedre transistorens undertærskelsving, som er et mål for, hvor følsom transistoren er over for ændringer i gatespændingen. Jo lavere subthreshold swing, jo mere effektiv er transistoren.

Forskernes transistorer havde et undertærskelsving på 140 mV/dec, hvilket er bedre end undertærskeludsving rapporteret for andre enkeltmolekyletransistorer og sammenligneligt med større enheder fremstillet af materialer såsom kulstofnanorør.

Forskningen er stadig i sin indledende fase, men forskerne er optimistiske med hensyn til, at den nye transistor kan bruges til at skabe en ny generation af elektroniske enheder. Disse enheder kan bruges i en række forskellige applikationer, startende fra computere og smartphones og slutter med medicinsk udstyr.

Flere oplysninger: Zhixin Chen et al., Kvanteinterferens forbedrer ydeevnen af ​​enkelt-molekyle transistorer, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01633-1

Journaloplysninger: Natur nanoteknologi

Leveret af Queen Mary, University of London