Een internationaal onderzoeksteam, waaronder professor Enrique del Barco van de University of Central Florida en Christian A. Nijhuis van de National University of Singapore, heeft een manier gevonden om de overgang van ladingen in moleculaire knooppunten te begrijpen en te manipuleren.

Een moleculaire verbinding verbindt moleculen met twee metalen elektroden, zoals goud. Om elektronen door de junctie te laten stromen, moeten ze een barrière overwinnen. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, de elektronen kunnen gemakkelijker over de barrière springen.

Ladingsoverdrachten domineren veel chemische reacties, zoals wanneer ijzer roest en bruin wordt. Het ijzer verliest elektronen, roest veroorzaken. IJzer is een metaal, maar hetzelfde geldt voor moleculaire reacties, bekend als elektrochemie. De wetenschap achter moleculaire ladingsoverdracht is goed begrepen op het gebied van chemie, en verklaard door de zogenaamde Marcus-theorie.

Volgens deze theorie is moleculaire reactiesnelheden kunnen worden afgestemd door de temperatuur te verhogen of te verlagen (bekend als Direct Marcus-regime). Echter, onder bepaalde omstandigheden, de reactie kan worden opgenomen in het omgekeerde Marcus-regime, waarbij de reactie ongevoelig wordt voor temperatuurveranderingen, en kan springen zonder een barrière over te steken.

Ladingsoverdrachtsprocessen worden ook steeds belangrijker in het opkomende gebied van moleculaire elektronica, waar wetenschappers streven naar de kleinste schaal voor elektrische circuits, waar de basisbouwstenen van moderne elektronica gebaseerd zijn op moleculen.

Een voorbeeld hiervan zijn moleculaire diodes (moleculaire apparaten die de stroom van laadstroom kunnen selecteren), die van cruciaal belang zijn als de basisbouwstenen van moleculaire schakelingen - de toekomst van onze elektronica.

Het probleem is dat wetenschappers lang hebben gezien hoe moleculaire diodes zich in een van de twee Marcus-regimes gedroegen op manieren die ze niet begrepen.

"We hebben vergelijkbare moleculen gezien die zich op totaal verschillende manieren gedragen, en zeer verschillende moleculen die zich zonder duidelijke reden zeer gelijkaardig gedragen, " zei del Barco. "Dit is hoogst verrassend in een tijd waarin onze kennis van moleculaire verbindingen aanzienlijk is gevorderd. Met twee elektroden en een molecuul ertussen, de lading stroomt niet; het springt. Maar er zijn momenten waarop het een barrière vertoont, en andere keren niet, en dit is waar we hard aan hebben gewerkt om erachter te komen."

In nauwe samenwerking met zijn collega in Singapore, het team experimenteerde met elektrische velden en temperatuur om te zien hoe lading door verschillende moleculaire diodes stroomt.

Eindelijk, ze vonden een molecuul waarmee ze de twee Marcus-regimes konden verkennen, door de temperatuurafhankelijkheid naar believen te veranderen.

"Dit is een doorbraak. Als we denken aan dit complexe molecuul als twee verschillende eenheden die aan elkaar zijn gekoppeld, wanneer de lading in één eenheid springt, het genereert anderzijds een elektrisch veld, en vice versa, " legde del Barco uit. "Deze interne elektrische poort is evenredig met de hoeveelheid lading in het molecuul als geheel, die toeneemt met de spanning die op het apparaat wordt toegepast, en zorgt ervoor dat de moleculaire diode tussen de twee Marcus-regimes gaat. Dit is de eerste keer dat we zo'n overgang in moleculaire elektronica hebben gezien."

Afgezien van de belangrijke implicaties van deze ontdekking op het gebied van de chemie, het blijkt dat dit molecuul het eerste moleculaire voorbeeld is van een dubbele kwantumstip, met opwindend potentieel in de natuurkunde. Dit brengt moleculaire systemen in opkomende technologieën zoals kwantuminformatie en berekeningen in beeld.

Quantum dots gedragen zich als atomen, maar hebben meer toegankelijke energieniveaus om elektriciteit te geleiden, waardoor kwantumdots een ideale manier zijn om computers en andere elektronische apparaten van stroom te voorzien.

Silicium is wat onze smartphones en computers vandaag aandrijft. In de toekomst, moleculaire elektronica kan aanvullende functionaliteiten bieden die verder gaan dan wat mogelijk is met silicium. Silicium heeft beperkingen, en kan niet zo klein worden als moleculaire elektronica. Del Barco zegt in de toekomst, moleculaire technologie zal worden gebruikt in combinatie met silicium, om nieuwe elektronische toepassingen te creëren.

Het werk van Del Barco en Nijuhuis, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , zal bijdragen tot een beter begrip van kwantumtechnologieën.