onderzoekers, onder leiding van Columbia Engineering Professor Latha Venkataraman, melden vandaag dat ze een nieuw chemisch ontwerpprincipe hebben ontdekt voor het exploiteren van destructieve kwantuminterferentie. Ze gebruikten hun aanpak om een ​​zes nanometer single-molecule switch te maken waarbij de aan-status stroom meer dan 10 is, 000 keer groter dan de stroom in de off-state - de grootste verandering in stroom die tot nu toe is bereikt voor een circuit met één molecuul.

Deze nieuwe schakelaar is gebaseerd op een soort kwantuminterferentie die niet, tot nu toe, verkend zijn. De onderzoekers gebruikten lange moleculen met een speciale centrale eenheid om destructieve kwantuminterferentie tussen verschillende elektronische energieniveaus te versterken. Ze toonden aan dat hun aanpak kan worden gebruikt om zeer stabiele en reproduceerbare schakelaars met één molecuul bij kamertemperatuur te produceren die in de ingeschakelde toestand stromen van meer dan 0,1 microampère kunnen dragen. De lengte van de schakelaar is vergelijkbaar met de grootte van de kleinste computerchips die momenteel op de markt zijn en de eigenschappen benaderen die van commerciële schakelaars. De studie is vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"We observeerden transport over een moleculaire draad van zes nanometer, wat opmerkelijk is omdat transport over zulke lange lengteschalen zelden wordt waargenomen, " zei Venkataraman, Lawrence Gussman Hoogleraar Technische Natuurkunde, hoogleraar scheikunde, en vice-provoost voor facultaire zaken. "In feite, dit is het langste molecuul dat we ooit in ons laboratorium hebben gemeten."

In de afgelopen 45 jaar, gestage afname van de transistorafmetingen hebben dramatische verbeteringen in computerverwerking en steeds kleiner wordende apparaatafmetingen mogelijk gemaakt. De smartphones van tegenwoordig bevatten honderden miljoenen transistors gemaakt van silicium. Echter, de huidige methoden voor het maken van transistors naderen snel de grootte en prestatielimieten van silicium. Dus, als de computerverwerking vooruit moet gaan, onderzoekers moeten schakelmechanismen ontwikkelen die kunnen worden gebruikt met nieuwe materialen.

Venkataraman loopt voorop op het gebied van moleculaire elektronica. Haar lab meet fundamentele eigenschappen van apparaten met één molecuul, op zoek naar het samenspel van natuurkunde, scheikunde, en engineering op nanometerschaal. Ze is vooral geïnteresseerd in het verkrijgen van een dieper begrip van de fundamentele fysica van elektronentransport, terwijl de basis wordt gelegd voor technologische vooruitgang.

Op nanometerschaal is elektronen gedragen zich als golven in plaats van deeltjes en elektronentransport vindt plaats via tunneling. Als golven op het wateroppervlak, elektronengolven kunnen constructief interfereren of destructief interfereren. Dit resulteert in niet-lineaire processen. Bijvoorbeeld, als twee golven constructief interfereren, de amplitude (of hoogte) van de resulterende golf is meer dan de som van de twee onafhankelijke golven. Twee golven kunnen volledig worden uitgeschakeld met destructieve interferentie.

"Het feit dat elektronen zich als golven gedragen, is de essentie van de kwantummechanica, ' merkte Venkataraman op.

Op moleculaire schaal, kwantummechanische effecten domineren het elektronentransport. Onderzoekers hebben lang voorspeld dat de niet-lineaire effecten die door kwantuminterferentie worden geproduceerd, schakelaars van één molecuul met grote aan / uit-verhoudingen mogelijk zouden maken. Als ze de kwantummechanische eigenschappen van moleculen zouden kunnen gebruiken om circuitelementen te maken, ze zouden sneller kunnen inschakelen, kleiner, en energiezuinigere apparaten, inclusief schakelaars.

"Het maken van transistors uit afzonderlijke moleculen vertegenwoordigt de ultieme limiet in termen van miniaturisatie en heeft het potentieel om exponentieel snellere verwerking mogelijk te maken terwijl het stroomverbruik wordt verminderd, "Zei Venkataraman. "Het maken van apparaten met één molecuul die stabiel zijn en in staat zijn om herhaalde schakelcycli te doorstaan, is een niet-triviale taak. Onze resultaten maken de weg vrij voor het maken van transistors met één molecuul."

Een veel voorkomende analogie is om transistors te zien als een klep op een pijp. Als de klep open staat, water stroomt door de pijp. Als het gesloten is, het water wordt geblokkeerd. Bij transistoren, de waterstroom wordt vervangen door de stroom van elektronen, of actueel. In de staat, stroom vloeit. In de buitenstaat, stroom wordt geblokkeerd. Ideaal, de hoeveelheid stroom die in de aan- en uit-toestanden vloeit, moet heel verschillend zijn; anders, de transistor is als een lekkende leiding waarvan het moeilijk te zeggen is of de klep open of gesloten is. Omdat transistoren als schakelaars functioneren, een eerste stap bij het ontwerpen van moleculaire transistors is het ontwerpen van systemen waarin je de stroom kunt schakelen tussen een aan- en uit-status. De meeste eerdere ontwerpen, echter, hebben lekkende transistoren gemaakt door korte moleculen te gebruiken waarbij het verschil tussen de aan- en uit-status niet significant was.

Om dit te overwinnen, Venkataraman en haar team stonden voor een aantal hindernissen. Hun belangrijkste uitdaging was om chemische ontwerpprincipes te gebruiken om moleculaire circuits te creëren waar kwantuminterferentie-effecten de stroom in de off-state sterk kunnen onderdrukken, waardoor de lekkageproblemen worden verminderd.

"Het is moeilijk om de stroom in korte moleculen volledig uit te schakelen vanwege de grotere kans op kwantummechanische tunneling over kortere lengteschalen", legt hoofdauteur Julia Greenwald van het onderzoek uit. een doctoraat student in het laboratorium van Venkataraman. "Het omgekeerde geldt voor lange moleculen, waar het vaak moeilijk is om hoge stromen in de toestand te bereiken, omdat de kans op tunneling met de lengte afneemt. De circuits die we hebben ontworpen zijn uniek vanwege hun lengte en hun grote aan/uit-verhouding; we zijn nu in staat om zowel een hoge on-state stroom als een zeer lage off-state stroom te bereiken."

Het team van Venkataraman heeft hun apparaten gemaakt met behulp van lange moleculen die zijn gesynthetiseerd door medewerker Peter Skabara, Ramsay-leerstoel scheikunde, en zijn groep aan de Universiteit van Glasgow. Lange moleculen zijn gemakkelijk te vangen tussen metalen contacten om circuits met één molecuul te creëren. De schakelingen zijn zeer stabiel en kunnen herhaaldelijk hoge aangelegde spanningen aan (meer dan 1,5 V). De elektronische structuur van de moleculen versterkt interferentie-effecten, waardoor een uitgesproken niet-lineariteit in stroom mogelijk wordt als een functie van aangelegde spanning, wat leidt tot een zeer grote verhouding van stroom in de staat tot stroom uit de staat.

De onderzoekers blijven samenwerken met het team van de Universiteit van Glasgow om te zien of hun ontwerpbenadering kan worden toegepast op andere moleculen, en om een ​​systeem te ontwikkelen waarbij de schakelaar kan worden geactiveerd door een externe stimulus.

"Onze bouw van een schakelaar uit een enkel molecuul is een zeer opwindende stap in de richting van bottom-up ontwerp van materialen met behulp van moleculaire bouwstenen, "Zei Greenwald. "Het bouwen van elektronische apparaten met afzonderlijke moleculen die als circuitcomponenten fungeren, zou echt transformerend zijn."

De studie is getiteld "Zeer niet-lineair transport over verbindingen van één molecuul via destructieve kwantuminterferentie."