Utilizarea proprietăților cuantice pentru a crea dispozitive cu o moleculă – Circuit lung de numai 6 nanometri

Noul tip de interferență cuantică permite întreruperea unei molecule cu un raport mare de pornire / oprire. Credit: Julia Greenwald și Suman Gunasekaran / Columbia Engineering

Echipa Columbia descoperă un singur circuit cu o moleculă de 6 nanometri cu un raport mare de pornire / oprire datorită interferenței cuantice; găsirea poate permite dispozitive mai rapide, mai mici și mai eficiente din punct de vedere energetic.

Cercetătorii, conduși de profesorul Columbia Engineering Latha Venkataraman, raportează astăzi că au descoperit un nou principiu de proiectare chimică pentru exploatarea intervențiilor cuantice distructive. Ei și-au folosit abordarea pentru a crea un întrerupător de șase nanometri cu o singură moleculă, în care curentul în stare este de peste 10.000 de ori mai mare decât curentul în afara stării – cea mai mare schimbare de curent realizată pentru un circuit cu o singură moleculă până la acum.

Acest nou comutator se bazează pe un fel de interferență cuantică care nu a fost explorată până acum. Cercetătorii au folosit molecule lungi cu o unitate centrală specială pentru a spori interferența cuantică distructivă între diferite niveluri de energie electronică. Ei au demonstrat că abordarea lor poate fi utilizată pentru a produce comutatoare foarte stabile și reproductibile cu o moleculă la temperatura camerei care poate reține curenți care depășesc 0,1 micromampe în stare bună. Lungimea întrerupătorului este similară cu dimensiunea celor mai mici cipuri de computer existente în prezent pe piață și proprietățile sale sunt apropiate de cele ale întreruptoarelor comerciale. Studiul este publicat astăzi în Nanotehnologia naturii.

„Am observat transportul printr-un fir molecular de șase nanometri, ceea ce este extraordinar, deoarece transportul pe scări atât de lungi este rar observat”, a spus Venkataraman, Lawrence Gussman Profesor de fizică aplicată, profesor de chimie și vicepreședinte pentru probleme de facultate. De fapt, aceasta este cea mai lungă moleculă pe care am măsurat-o vreodată în laboratorul nostru.

În ultimii 45 de ani, reducerile continue ale dimensiunii tranzistorului au permis îmbunătățiri dramatice în procesarea computerelor și dimensiunile dispozitivelor în continuă scădere. Smartphone-urile de astăzi conțin sute de milioane de tranzistoare din siliciu. Cu toate acestea, metodele actuale de fabricare a tranzistoarelor se apropie rapid de limitele dimensiunii și performanței siliciului. Deci, dacă procesarea computerizată va progresa, cercetătorii trebuie să dezvolte mecanisme de comutare care să poată fi utilizate cu materiale noi.

Venkataraman este în fruntea electronicii moleculare. Laboratorul ei măsoară proprietățile de bază ale echipamentelor cu o singură moleculă, încercând să înțeleagă interacțiunea fizicii, chimiei și ingineriei la scara nanometrică. Este interesat în special de a dobândi o înțelegere mai profundă a fizicii de bază a transportului de electroni, în timp ce pune bazele pentru progresele tehnologice.

La scara nanometrică, electronii se comportă mai degrabă ca undele decât particulele, iar transportul electronilor are loc prin tunelare. La fel ca undele de pe suprafața apei, undele electronice pot interfera constructiv sau pot interfera distructiv. Acest lucru are ca rezultat procese neliniare. De exemplu, dacă două unde interferează constructiv, amplitudinea (sau înălțimea) undei rezultate este mai mare decât suma celor două unde independente. Două valuri pot fi anulate complet cu interferențe distructive.

„Faptul că electronii se comportă ca undele este esența mecanicii cuantice”, a remarcat Venkataraman.

La scară moleculară, efectele mecanice cuantice domină transportul electronilor. Cercetătorii au prezis de multă vreme că efectele neliniare produse de interferența cuantică ar trebui să permită întreruperile unei singure molecule cu raporturi mari de pornire / oprire. Dacă pot utiliza proprietățile mecanice cuantice ale moleculelor pentru a crea elemente de circuit, ele pot permite dispozitive mai rapide, mai mici și mai eficiente din punct de vedere energetic, inclusiv comutatoare.

“Realizarea tranzistoarelor din molecule unice reprezintă limita finală în ceea ce privește miniaturizarea și are potențialul de a permite o procesare exponențial mai rapidă, reducând în același timp consumul de energie”, a spus Venkataraman. „Realizarea de echipamente cu o moleculă stabilă și capabilă să reziste ciclurilor repetate este o sarcină non-banală. Rezultatele noastre deschid calea pentru fabricarea tranzistoarelor cu o moleculă. “

O analogie obișnuită este să ne gândim la tranzistoare ca la o supapă într-un tub. Când supapa este deschisă, apa curge prin conductă. Când este închis, apa este blocată. În tranzistoare, fluxul de apă este înlocuit de fluxul de electroni sau curent. În starea actuală, curentul curge. În statul de peste mări, puterea este oprită. În mod ideal, cantitatea de curent care curge în stările de intrare și ieșire ar trebui să fie foarte diferită; în caz contrar, tranzistorul este ca un tub de curgere în care este dificil de spus dacă supapa este deschisă sau închisă. Deoarece tranzistoarele funcționează ca întrerupătoare, un prim pas în proiectarea tranzistoarelor moleculare este crearea de sisteme în care să puteți comuta curentul între condiții în afara stării și în afara stării. Cu toate acestea, majoritatea proiectelor din trecut au creat tranzistoare de flux folosind molecule scurte, unde diferența dintre starea de pornire și oprire nu a fost semnificativă.

Pentru a depăși acest lucru, Venkataraman și echipa ei s-au confruntat cu o serie de obstacole. Principala lor provocare a fost utilizarea principiilor de proiectare chimică pentru a crea circuite moleculare în care efectele interferenței cuantice ar putea suprima puternic curentul în statul de peste mări, atenuând astfel problemele de scurgere.

“Este dificil să dezactivați complet fluxul curent în molecule scurte din cauza probabilității mai mari de tunelare mecanică cuantică prin scări de lungime mai mică”, a explicat autorul principal Julia Greenwald, doctorand la laboratorul Venkataraman. “Opusul este valabil pentru moleculele lungi, unde este adesea dificil să se obțină curenți mari, deoarece probabilitatea de tunelare se rupe cu lungimea. Circuitele pe care le-am creat sunt unice datorită lungimii lor și a raportului mare de aprindere.” „Acum suntem capabili să obținem atât un curent ridicat în starea actuală, cât și un curent foarte scăzut în străinătate”.

Echipa Venkataraman și-a creat echipamentul folosind molecule lungi sintetizate de colaboratorul Peter Skabara, chimistul principal al lui Ramsay și echipa sa de la Universitatea din Glasgow. Moleculele lungi sunt ușor de prins între contactele metalice pentru a forma circuite cu o singură moleculă. Circuitele sunt foarte stabile și pot rezista în mod repetat la tensiuni aplicate mari (care depășesc 1,5 V). Structura electronică a moleculelor îmbunătățește efectele interferenței, permițând o neliniaritate pronunțată în curent în funcție de tensiunea aplicată, ceea ce duce la un raport foarte mare de curent în starea de curent oprit.

Cercetătorii continuă să colaboreze cu echipa de la Universitatea din Glasgow pentru a vedea dacă abordarea lor de proiectare poate fi aplicată altor molecule și pentru a dezvolta un sistem în care comutatorul să poată fi declanșat de un stimul extern.

„Construirea tranziției noastre cu o singură moleculă este un pas foarte interesant către proiectarea de jos în sus a materialelor folosind blocuri de construcție moleculare”, a spus Greenwald. “Construirea dispozitivelor electronice cu o singură moleculă care acționează ca componente ale circuitului ar fi cu adevărat transformatoare.”

Despre studiu

Studiul este intitulat „Transport foarte neliniar prin intersecțiile unei molecule prin intervenții cuantice distructive”.

Autorii sunt: ​​Julia E. Greenwald 1, Joseph Cameron 2, Neil J. Findlay 2, Tianren Fu 1, Suman Gunasekaran 1, Peter J. Skabara 2 și Latha Venkataraman 1.3?

1 Departamentul de chimie, Universitatea Columbia

2WestCHEM, Școala de chimie, Universitatea din Glasgow

Departamentul 3D de Fizică și Matematică Aplicată, Columbia Engineering

Studiul a fost susținut de Fellowships Research Graduate Research Fellowships DGE-1644869, NSF grant CHE-1764256, NSF DMR-1807580, Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC) grant EP / P02744X / 2 și EP / N035496 / 2.

Referință: „Transport foarte neliniar prin joncțiunile unei molecule prin intervenții cuantice distructive”. 7 decembrie 2020, Nanotehnologia naturii.
DOI: 10.1038 / s41565-020-00807-x

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Răcire radiantă și încălzire solară de către un sistem – Nu este necesară electricitate

Sistemul a scăzut temperatura în interiorul unui sistem de testare într-un mediu exterior sub lumina directă a soarelui cu peste 12 grade Celsius (22...

Moarte animală falsă pentru perioade lungi de timp pentru a scăpa de prădători

Antilopul european (Euroleon nostras) pe partea sa dorsală, jucând mort. Credit: profesorul Nigel R. Franks, Universitatea din Bristol Multe animale își bat joc de...

Perseverance Rover al NASA conduce pentru prima dată pe Pământ

Această imagine a fost făcută pe 4 martie 2021 pe primul disc al vehiculului Perseverance al NASA. Credit: NASA / JPL-Caltech Prima rută a...

A fost descoperită o mașină de ucis veche de 260 de milioane de ani

Recuperarea vie a Anteosaurului atacă Moshognathusul erbivor. Credit: Alex Bernardini (@SimplexPaleo) Anteosaurul sălbatic în vârstă de 260 de milioane de ani, considerat anterior a...

Fizicienii particulelor rezolvă o problemă care îi „bântuie” de mai bine de 20 de ani

Ilustrația urmărește traseul fasciculului pe măsură ce trece prin quadrupolul de radiofrecvență de cupru, magnetul dipol negru și sistemul de măsurare fisurat și către...

Newsletter

Subscribe to stay updated.