Tot hun verbazing was de geleiding van de langste verbinding (> 7 nm) vrijwel identiek aan die van de kortste verbinding, het monomeer, dat nauwelijks meer dan 1 nm lang is. Dit is alleen mogelijk in het kwantumregime en laat zien dat de reductie van de HOMO-LUMO-afstand de lengtetoename compenseert, zelfs op zulke grote afstanden.

Uit metingen bleek echter dat elektronentransport nog steeds een tunnelproces is met een lage bias, en dat de geleiding nog steeds 100 tot 1000 keer lager was dan theoretisch mogelijk.

Het begon erg interessant te worden toen de onderzoekers een variërende voorspanning op de kruispunten aanbrachten. In sommige van de kruispunten vonden ze op indrukwekkende wijze een maximale geleiding bij nul-bias, die afnam naar hogere spanningen. Dit is het omgekeerde van het typische gedrag.

Even verbazingwekkend was dat de geleiding in deze juncties veel hoger was dan eerder waargenomen en in een aanzienlijk aantal juncties de theoretische geleidingslimiet van 77,5 μS bereikte, ook bekend als 1 G₀ , de grootst mogelijke geleiding via een enkel kwantumkanaal. Om dit in context te plaatsen:dit is de typische geleiding van individuele atomen zoals goud of zilver.

Ballistisch elektronentransport is bekend in metallische koolstofnanobuisjes, en er wordt ook geclaimd voor zeer kleine moleculen. Het belangrijkste aspect hier is dat dit de eerste keer is dat ballistische geleiding bij lage voorspanning wordt waargenomen in lange (> 7 nm) atomair nauwkeurige moleculen met bekende atomaire contacten die de draad met de elektroden verbinden. De metingen zijn uitgevoerd in lucht en bij kamertemperatuur. Dit is een echte mijlpaal voor het vakgebied.

Onder de mogelijke mechanismen die bij nul-bias een maximale geleiding zouden kunnen veroorzaken, is Kondo een voor de hand liggende kandidaat. Dit werd echter onmiddellijk uitgesloten omdat het een puur lage temperatuurproces is, dat plaatsvindt bij enkele graden Kelvin. Bij kamertemperatuur was de enige verklaring voor hun resultaten de perfecte uitlijning van het energieniveau en de ballistische geleiding.

De truc om de moleculen op deze indrukwekkende manier te laten geleiden, is het veranderen van het aantal elektronen op het molecuul, door ze om te zetten van neutrale naar geladen moleculen (doping). Dit gebeurt wanneer een grote voorspanning wordt toegepast op moleculaire verbindingen.

Als er een voldoende hoge bias wordt bereikt, worden de moleculaire niveaus in resonantie gebracht met de metalen elektroden. Dit betekent dat de moleculaire niveaus (HOMO of LUMO) dezelfde energie hebben als de elektronen op het Fermi-niveau in een van de elektroden.

In dit resonante regime reizen elektronen vrijelijk door de moleculaire draad, maar af en toe kan er een op het molecuul gelokaliseerd raken. Wanneer dit gebeurt, treedt er een opmerkelijk effect op. In plaats van dat de lading terug naar de elektroden verdwijnt wanneer de voorspanning weer naar nul wordt verlaagd, blijft deze vaak gedurende lange perioden op het molecuul aanwezig, tenminste zo lang als de levensduur van de moleculaire junctie.

Cruciaal is dat dit de uitlijning van de moleculaire niveaus verandert als gevolg van de onbalans in de lading op het molecuul. Dit is het belangrijkste aspect van het hele proces. Wat de onderzoekers geloven is dat de HOMO of de LUMO zodanig verschuiven dat wanneer de bias terug naar nul wordt gebracht, in plaats van de oorspronkelijke energiemismatch te hebben, een moleculair energieniveau nu perfect aansluit bij het metallische Fermi-niveau. Dit verklaart de ballistische geleiding met lage bias.

Het meest opwindende moment voor Edmund was het zien van de geleidingspiek bij nulspanning. "We verwachtten hoge geleiding bij hoge spanningen, maar geen waarden op of rond G₀ zonder enige bias", legt Edmund uit.

"In feite waren we een beetje teleurgesteld over de eerste resultaten met lage bias, die aantoonden dat ondanks de ultrakleine HOMO-LUMO-openingen, het elektronentransport nog steeds wordt onderdrukt voor de neutrale moleculen. We wisten echter dat we iets op het spoor waren, toen we begonnen met het onderzoeken van de bias-spanning en begonnen met het observeren van geladen moleculaire verbindingen met ultrahoge geleiding. Toen we de gegevens gedetailleerd bekeken en ontdekten dat de geleiding een piek bereikte bij nul-bias, realiseerden we ons dat dit een zeer goed bewijs was voor ballistisch elektronentransport. "

De resultaten laten zien hoe moleculen zich kunnen gedragen als metaalketens en elektriciteit kunnen geleiden op de theoretische limiet, waardoor de opwindende mogelijkheid wordt geopend om verder te gaan dan 10 nm in geleidingsexperimenten met één molecuul.

Meer informatie: Jie-Ren Deng et al., Ballistische geleiding door porfyrine-nanoribbons, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c07734

Aangeboden door IMDEA Nanociencia