(Phys.org)—In een paper gepubliceerd in Natuur Nanontechnologie op 2 sept. 2012, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van de DOE en de afdelingen Scheikunde en Toegepaste Natuurkunde van Columbia University onderzoeken de wetten die elektronische geleiding regelen in circuits op moleculaire schaal.

"Iedereen die met elementaire elektronische circuits heeft gewerkt, weet dat er enkele eenvoudige verkeersregels zijn, zoals de wet van Ohm, " legt medewerker Mark Hybertsen uit, een natuurkundige bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN). Hybertsen leverde de theorie om het waargenomen circuitgedrag te modelleren met de rekenhulpmiddelen van de CFN. "Al enkele jaren stellen we fundamentele vragen om te onderzoeken hoe die regels anders zouden kunnen zijn als het elektronische circuit wordt verkleind tot de schaal van een enkel molecuul."

Geleiding meet de mate waarin een circuit elektriciteit geleidt. In een eenvoudige schakeling, Als je de weerstanden parallel aansluit, de elektronen kunnen door twee verschillende paden stromen. In dit geval, de geleidbaarheid van het volledige circuit is gewoon de som van de geleidbaarheid van elke weerstand.

Echter, in een moleculair circuit, de regels die de huidige stroom beheersen, hebben nu betrekking op fundamentele kwantummechanica. In de meeste circuits met één molecuul, de moleculen gedragen zich niet als conventionele weerstanden; in plaats daarvan, de elektronen tunnelen door het molecuul. Wanneer het molecuul twee parallelle routes aanbiedt, de golfachtige beweging van een elektron kan de manier waarop geleiding optelt drastisch veranderen. Voor meerdere jaren, experts in nanotechnologie hebben vermoed - maar niet bewezen - dat kwantuminterferentie-effecten de geleidbaarheid van een circuit met twee paden tot vier keer hoger maken dan de geleidbaarheid van een circuit met een enkel pad.

Om deze kwantummechanische effecten verder te onderzoeken, de wetenschappers moesten hun eigen regelbare circuits van nanogrootte bouwen. Werken met de groep van Ronald Breslow in Columbia, ze ontwierpen en synthetiseerden een reeks moleculen om in het experiment te gebruiken.

"Betrouwbaar een circuit maken van een enkel molecuul is echt een uitdaging, " zegt Latha Venkataraman, een Columbia Engineering Applied Physics professor wiens groep de methode perfectioneerde die werd gebruikt om de moleculaire circuits te maken. "Stel je voor dat je de twee uiteinden van een molecuul probeert aan te raken dat slechts tien atomen lang is."

Om de schakelingen te maken, Venkataraman's groep paste een scanning tunneling microscope (STM) -apparaat aan om herhaaldelijk een scherpe gouden punt in een andere gouden elektrode te drukken en deze vervolgens weg te trekken. Wanneer deze kruising breekt, er is een moment waarop de opening tussen de twee stukken goud perfect past bij het molecuul. Zodra het circuitsysteem is ingesteld, de geleidbaarheidsmeting is snel en kan duizenden keren worden herhaald om statistisch betrouwbare gegevens te krijgen.

Met behulp van deze aanpak, de wetenschappers ontdekten dat de moleculen met twee ingebouwde paden, zoals die in de figuur rechts, een geleiding hadden die groter was dan de som van de geleiding van elke arm, hoewel de stijging niet zo groot was als ze hadden verwacht. Om dit effect beter te begrijpen, Hector Vasquez van Columbia werkte samen met Hybertsen om de kwantummechanische transmissie van een elektron door elk circuit te simuleren.

"Zowel de metingen als de simulaties laten zien dat de moleculen met twee parallelle paden een geleiding kunnen hebben die groter is dan twee keer die van moleculen met een enkel pad, " zei Hybertsen. "Dit is de handtekening dat het kwantuminterferentie-effect een rol speelt."

De groep vermoedt dat andere factoren, zoals de aard van de binding van het molecuul aan de elektroden, waarmee rekening moet worden gehouden bij het berekenen van de geleidbaarheid van een moleculair circuit. Ze onderzoeken momenteel andere centrale vragen over moleculaire elektronica, inclusief hoe het apparaat verandert wanneer verschillende metalen worden gebruikt.