Квантовая странность рождает новую электронику. Отмечая поразительные успехи в области полупроводниковых технологий, соучредитель Intel Гордон Мур предложил, чтобы число транзисторов на чипе удваивалось каждый год, и это наблюдение подтверждается с тех пор, как он сделал это заявление в 1965 году. Тем не менее Мур вряд ли мог предвидеть степень революции электроники в настоящее время.

Нонгджиан 'NJ' Тао, доктор философии, является директором Центра биоэлектроники и биосенсоров в Институте биодизайна и профессором в Школе инженерии Ира А. Фултона в Университете штата Аризона. Фото: Институт биодизайна в Университете штата Аризона

Сегодня разрабатывается новое поколение устройств, обладающих уникальными свойствами. Поскольку ультра-миниатюризация продолжается быстро, исследователи начали исследовать пересечение физических и химических свойств, происходящих в молекулярном масштабе.

Достижения в этой быстро развивающейся области могли бы улучшить устройства для хранения данных и обработки информации и помочь в разработке молекулярных коммутаторов, среди других инноваций.

Нунцзянь «NJ» Тао и его сотрудники недавно описали серию исследований электрической проводимости через отдельные молекулы. Создание электроники в этом бесконечно малом масштабе представляет много проблем. В мире ультра-крошечных, особые свойства квантового мира господствуют. Здесь электроны, текущие как ток, ведут себя как волны и подвержены явлению, известному как квантовые помехи. Способность манипулировать этим квантовым явлением может помочь открыть двери для новых наноэлектронных устройств с необычными свойствами.

«Мы заинтересованы не только в измерении квантовых явлений в отдельных молекулах, но и в их контроле. Это позволяет нам понять основной перенос заряда в молекулярных системах и изучить новые функции устройства», – говорит Тао.

Тао является директором Центра биодизайна биоэлектроники и биосенсоров. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials , Тао и его коллеги из Японии, Китая и Великобритании описывают эксперименты, в которых одна органическая молекула подвешена между парой электродов, когда ток проходит через крошечную структуру.

Исследователи исследуют свойства переноса заряда через молекулы. Они продемонстрировали, что призрачное волнообразное свойство электронов, известное как квантовая интерференция, может быть точно модулировано в двух разных конфигурациях молекулы, известных как Para и Meta.

Оказывается, что квантовые интерференционные эффекты могут вызывать существенные изменения в свойствах проводимости молекулярных устройств. Контролируя квантовые помехи, группа показала, что электрическая проводимость отдельной молекулы может быть точно настроена на два порядка. Точное и непрерывное управление квантовыми помехами рассматривается в качестве ключевого компонента в будущем развитии электроники широкого спектра молекулярного масштаба, работающей на высокой скорости и малой мощности.

Такие одномолекулярные устройства могут потенциально выступать в качестве транзисторов, проводов, выпрямителей, переключателей или логических элементов и могут найти применение в футуристических приложениях, включая сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID), квантовую криптографию и квантовые вычисления.

Для текущего исследования были использованы молекулы – углеводороды в форме кольца, которые могут появляться в различных конфигурациях, поскольку они являются одними из самых простых и универсальных кандидатов для моделирования поведения молекулярной электроники и идеально подходят для наблюдения квантовых интерференционных эффектов на наноуровне. ,

Чтобы исследовать, как заряд движется через одну молекулу, были проведены так называемые измерения разрывных контактов. Испытания включают использование сканирующего туннельного микроскопа или STM. Исследуемая молекула находится между золотой подложкой и золотым наконечником устройства СТМ. Кончик СТМ многократно вводится и выходит из контакта с молекулой, разрушая и преобразовывая соединение, пока ток проходит через каждую клемму.

Были записаны тысячи следов проводимости в зависимости от расстояния, при этом особые молекулярные свойства двух молекул использовались для экспериментов, изменяющих поток электронов через соединение. Молекулы в конфигурации «Пара» показали более высокие значения проводимости, чем молекулы «Мета», что указывает на конструктивную или разрушительную квантовую интерференцию в молекулах.

Используя технику, известную как электрохимическое стробирование, исследователи смогли непрерывно контролировать проводимость в течение двух порядков. В прошлом для изменения свойств квантовой интерференции требовались модификации несущей заряд молекулы, используемой для устройства. Текущее исследование отмечает первый случай регулирования проводимости в единственной молекуле.

Как отмечают авторы, проводимость в молекулярном масштабе чувствительно зависит от квантовой интерференции с участием электронных орбиталей молекулы. В частности, интерференция между самой высокой занимаемой молекулярной орбиталью или ВЗМО и самой низкой незанятой молекулярной орбиталью или НВМО, по-видимому, является доминирующей детерминантой проводимости в отдельных молекулах. Используя электрохимическое напряжение затвора, квантовые помехи в молекулах могут быть деликатно настроены.

Исследователи смогли продемонстрировать хорошее согласие между теоретическими расчетами и экспериментальными результатами, указав, что вклады HOMO и LUMO в проводимость были аддитивными для молекул Para, что приводило к конструктивным помехам, и субтрактивным для Meta, приводя к разрушительным интерференциям, подобно волнам в вода может объединиться, чтобы сформировать большую волну или нейтрализовать друг друга, в зависимости от их фазы.

В то время как предыдущие теоретические расчеты переноса заряда через отдельные молекулы были выполнены, для экспериментальной проверки пришлось ждать ряда достижений в области нанотехнологий, сканирующей зондовой микроскопии и методов формирования электрически функциональных связей молекул с металлическими поверхностями. Теперь, благодаря способности тонко изменять проводимость посредством манипулирования квантовыми помехами, область молекулярной электроники открыта для широкого круга инноваций.

По материалам phys.org