Een internationaal team van onderzoekers van de Queen Mary University of London, de University of Oxford, Lancaster University en de University of Waterloo heeft een nieuwe transistor met één molecuul ontwikkeld die kwantuminterferentie gebruikt om de stroom van elektronen te controleren. De transistor, die wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in Nature Nanotechnology , opent nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van kwantumeffecten in elektronische apparaten.

Transistors zijn de basisbouwstenen van moderne elektronica. Ze worden gebruikt om elektrische signalen te versterken en te schakelen, en ze zijn essentieel voor alles, van smartphones tot ruimteschepen. De traditionele methode om transistors te maken, waarbij silicium in kleine kanaaltjes wordt geëtst, bereikt echter zijn grenzen.

Naarmate transistoren kleiner worden, worden ze steeds inefficiënter en vatbaarder voor fouten, omdat elektronen door het apparaat kunnen lekken, zelfs als het verondersteld wordt uitgeschakeld te zijn, door een proces dat bekend staat als kwantumtunneling. Onderzoekers onderzoeken nieuwe soorten schakelmechanismen die met verschillende materialen kunnen worden gebruikt om dit effect te elimineren.

In de structuren op nanoschaal die professor Jan Mol, dr. James Thomas en hun groep bestuderen aan de Queen Mary's School of Physical and Chemical Sciences, domineren kwantummechanische effecten en gedragen elektronen zich als golven in plaats van als deeltjes. Door gebruik te maken van deze kwantumeffecten bouwden de onderzoekers een nieuwe transistor.

Het geleidende kanaal van de transistor bestaat uit één zinkporfyrine, een molecuul dat elektriciteit kan geleiden. Het porfyrine zit ingeklemd tussen twee grafeenelektroden, en wanneer er spanning op de elektroden wordt gezet, kan de elektronenstroom door het molecuul worden gecontroleerd met behulp van kwantuminterferentie.

Interferentie is een fenomeen dat optreedt wanneer twee golven met elkaar interageren en elkaar opheffen (destructieve interferentie) of elkaar versterken (constructieve interferentie). In het geval van de nieuwe transistor hebben onderzoekers de transistor aan- en uitgeschakeld door te controleren of de elektronen constructief (aan) of destructief (uit) interfereren terwijl ze door het zinkporfyrinemolecuul stromen.

De onderzoekers ontdekten dat de nieuwe transistor een zeer hoge aan/uit-verhouding heeft, wat betekent dat hij heel nauwkeurig kan worden in- en uitgeschakeld. Destructieve kwantuminterferentie speelt hierin een cruciale rol door de lekkende elektronenstroom uit het kwantumtunneling door de transistor te elimineren wanneer deze geacht wordt uitgeschakeld te zijn.

Ze ontdekten ook dat de transistor erg stabiel is. Eerdere transistors gemaakt uit één enkel molecuul hebben slechts een handvol schakelcycli kunnen demonstreren. Dit apparaat kan echter honderdduizenden cycli worden gebruikt zonder dat het kapot gaat.

"Kwantuminterferentie is een krachtig fenomeen dat het potentieel heeft om in een grote verscheidenheid aan elektronische toepassingen te worden gebruikt", zegt hoofdauteur Dr. James Thomas, docent Quantum Technologies bij Queen Mary. "Wij geloven dat ons werk een belangrijke stap is in de richting van het realiseren van dit potentieel."

"Onze resultaten laten zien dat kwantuminterferentie kan worden gebruikt om de stroom van elektronen in transistors te controleren en dat dit kan worden gedaan op een manier die zowel efficiënt als betrouwbaar is", zegt co-auteur professor Jan Mol. "Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe typen transistors die kleiner, sneller en energiezuiniger zijn dan de huidige apparaten."

De onderzoekers ontdekten ook dat de kwantuminterferentie-effecten kunnen worden gebruikt om de subthreshold swing van de transistor te verbeteren, wat een maatstaf is voor hoe gevoelig de transistor is voor veranderingen in de poortspanning. Hoe lager de subthreshold swing, hoe efficiënter de transistor is.

De transistors van de onderzoekers hadden een subthreshold swing van 140 mV/dec, wat beter is dan de subthreshold swings gerapporteerd voor andere single-molecule transistors en vergelijkbaar met grotere apparaten gemaakt van materialen zoals koolstofnanobuisjes.

Het onderzoek bevindt zich nog in de beginfase, maar de onderzoekers zijn optimistisch dat de nieuwe transistor kan worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie elektronische apparaten te creëren. Deze apparaten kunnen in allerlei toepassingen worden gebruikt, beginnend bij computers en smartphones en eindigend bij medische apparaten.

Meer informatie: Zhixin Chen et al, Kwantuminterferentie verbetert de prestaties van transistors met één molecuul, Natuurnanotechnologie (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01633-1

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Queen Mary, Universiteit van Londen