Gezien de opzienbarende vooruitgang in de halfgeleidertechnologie, Mede-oprichter van Intel, Gordon Moore, stelde voor dat het aantal transistors op een chip elk jaar zal verdubbelen, een observatie die is ontstaan ​​sinds hij de claim in 1965 deed. Toch, het is onwaarschijnlijk dat Moore de omvang van de elektronische revolutie die momenteel aan de gang is, had kunnen voorzien.

Vandaag, een nieuw soort apparaten, met unieke eigenschappen, is in ontwikkeling. Terwijl de ultraminiaturisering in hoog tempo doorgaat, onderzoekers zijn begonnen met het verkennen van de kruising van fysische en chemische eigenschappen die op moleculaire schaal voorkomen.

Vooruitgang in dit snelle domein kan apparaten voor gegevensopslag en informatieverwerking verbeteren en helpen bij de ontwikkeling van moleculaire schakelaars, onder andere innovaties.

Nongjian "NJ" Tao en zijn medewerkers hebben onlangs een reeks onderzoeken beschreven naar elektrische geleiding door afzonderlijke moleculen. Het maken van elektronica op deze oneindig kleine schaal brengt veel uitdagingen met zich mee. In de wereld van de ultrakleine, de eigenaardige eigenschappen van de kwantumwereld heersen. Hier, elektronen die als stroom stromen gedragen zich als golven en zijn onderhevig aan een fenomeen dat bekend staat als kwantuminterferentie. Het vermogen om dit kwantumfenomeen te manipuleren zou de deur kunnen openen naar nieuwe nano-elektronische apparaten met ongebruikelijke eigenschappen.

"We zijn niet alleen geïnteresseerd in het meten van kwantumverschijnselen in afzonderlijke moleculen, maar ze ook beheersen. Dit stelt ons in staat om het basisladingstransport in moleculaire systemen te begrijpen en nieuwe apparaatfuncties te bestuderen, ' zegt Tao.

Tao is de directeur van het Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. In onderzoek dat in het tijdschrift verschijnt Natuurmaterialen , Tao en collega's uit Japan, China en het VK schetsen experimenten waarin een enkel organisch molecuul wordt opgehangen tussen een paar elektroden terwijl een stroom door de kleine structuur wordt geleid.

De onderzoekers onderzoeken de ladingstransporteigenschappen door de moleculen. Ze toonden aan dat een spookachtige golfachtige eigenschap van elektronen - bekend als kwantuminterferentie - precies kan worden gemoduleerd in twee verschillende configuraties van het molecuul, bekend als Para en Meta.

Het blijkt dat kwantuminterferentie-effecten aanzienlijke variaties kunnen veroorzaken in de geleidingseigenschappen van apparaten op molecuulschaal. Door de kwantuminterferentie te beheersen, de groep toonde aan dat de elektrische geleiding van een enkel molecuul kan worden verfijnd over twee ordes van grootte. Het nauwkeurig en continu beheersen van kwantuminterferentie wordt gezien als een belangrijk ingrediënt in de toekomstige ontwikkeling van grootschalige elektronica op moleculaire schaal, werken met hoge snelheid en laag vermogen.

Dergelijke apparaten met één molecuul kunnen mogelijk als transistors fungeren, draden, gelijkrichters, schakelaars of logische poorten en kunnen hun weg vinden naar futuristische toepassingen, waaronder supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten (SQUID), kwantumcryptografie, en kwantumcomputers.

Voor het huidige onderzoek de moleculen - ringvormige koolwaterstoffen die in verschillende configuraties kunnen voorkomen - werden gebruikt, omdat ze tot de eenvoudigste en meest veelzijdige kandidaten behoren voor het modelleren van het gedrag van moleculaire elektronica en ideaal zijn voor het waarnemen van kwantuminterferentie-effecten op nanoschaal.

Om de manier waarop lading door een enkel molecuul beweegt te onderzoeken, zogenaamde breekpuntmetingen werden gedaan. De tests omvatten het gebruik van een scanning tunneling microscoop of STM. Het bestudeerde molecuul bevindt zich tussen een gouden substraat en een gouden punt van het STM-apparaat. De punt van de STM wordt herhaaldelijk in en uit contact met het molecuul gebracht, breken en hervormen van de kruising terwijl de stroom door elke terminal gaat.

Duizenden geleidings- versus afstandssporen werden geregistreerd, met de specifieke moleculaire eigenschappen van de twee moleculen die voor de experimenten werden gebruikt, waardoor de elektronenstroom door de junctie veranderde. Moleculen in de 'Para'-configuratie vertoonden hogere geleidbaarheidswaarden dan moleculen in de 'Meta'-vorm, wat wijst op constructieve versus destructieve kwantuminterferentie in de moleculen.

Met behulp van een techniek die bekend staat als elektrochemische poorten, de onderzoekers waren in staat om de geleiding continu over twee ordes van grootte te regelen. Vroeger, het veranderen van kwantuminterferentie-eigenschappen vereiste aanpassingen aan het ladingdragende molecuul dat voor het apparaat werd gebruikt. De huidige studie markeert de eerste gelegenheid van geleidingsregulatie in een enkel molecuul.

Zoals de auteurs opmerken, geleiding op moleculaire schaal wordt gevoelig beïnvloed door kwantuminterferentie waarbij de elektronenorbitalen van het molecuul betrokken zijn. specifiek, interferentie tussen de hoogst bezette moleculaire orbitaal of HOMO en de laagste onbezette moleculaire orbitaal of LUMO lijkt de dominante determinant van geleiding in afzonderlijke moleculen te zijn. Met behulp van een elektrochemische poortspanning, kwantuminterferentie in de moleculen zou fijn kunnen worden afgestemd.

De onderzoekers konden een goede overeenkomst aantonen tussen theoretische berekeningen en experimentele resultaten, wat aangeeft dat de HOMO- en LUMO-bijdragen aan de geleiding additief waren voor Para-moleculen, resulterend in constructieve interferentie, en subtractief voor Meta, leiden tot destructieve interferentie, zoals golven in water kunnen combineren om een ​​grotere golf te vormen of elkaar opheffen, afhankelijk van hun fase.

Terwijl eerdere theoretische berekeningen van ladingstransport door enkele moleculen waren uitgevoerd, experimentele verificatie heeft moeten wachten op een aantal vorderingen in nanotechnologie, aftastensondemicroscopie, en methoden om elektrisch functionele verbindingen van moleculen met metalen oppervlakken te vormen. Nutsvoorzieningen, met de mogelijkheid om de geleiding subtiel te veranderen door de manipulatie van kwantuminterferentie, het gebied van moleculaire elektronica staat open voor een breed scala aan innovaties.