Onderzoekers creëren een schakelaar met één molecuul

Een team van onderzoekers heeft voor het eerst een elektret met één molecuul gedemonstreerd – een apparaat dat een van de sleutels tot moleculaire computers zou kunnen zijn.

Kleinere elektronica is cruciaal voor het ontwikkelen van meer geavanceerde computers en andere apparaten. Dit heeft geleid tot een push in het veld in de richting van het vinden van een manier om siliciumchips te vervangen door moleculen, een inspanning die onder meer het creëren van elektret met één molecuul omvat – een schakelapparaat dat zou kunnen dienen als platform voor extreem kleine niet-vluchtige opslagapparaten. Omdat het erop leek dat zo’n apparaat echter zo onstabiel zou zijn, vroegen velen in het veld zich af of er ooit een zou kunnen bestaan.

Samen met collega’s van Nanjing University, Renmin University, Xiamen University en Rensselaer Polytechnic Institute, Mark Reed, demonstreerde de Harold Hodgkinson-hoogleraar Electrical Engineering & Applied Physics een elektret van één molecuul met een functioneel geheugen. De resultaten werden 12 oktober gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

De meeste electrets zijn gemaakt van piëzo-elektrische materialen, zoals materialen die het geluid in luidsprekers produceren. In een elektret staan ​​alle dipolen – paren van tegengestelde elektrische ladingen – spontaan in dezelfde richting op één lijn. Door een elektrisch veld aan te leggen, kunnen hun richtingen worden omgekeerd.

“De vraag is altijd geweest hoe klein je deze electrets kunt maken, die in wezen geheugenopslagapparaten zijn”, zei Reed.

De onderzoekers stopten een atoom van Gadolinium (Gd) in een koolstof-buckyball, een 32-zijdig molecuul, ook wel bekend als een buckminsterfullereen. Toen de onderzoekers dit construct (Gd @ C82) in een transistorachtige structuur plaatsten, observeerden ze enkel elektronentransport en gebruikten dit om de energietoestanden ervan te begrijpen. De echte doorbraak was echter dat ze ontdekten dat ze een elektrisch veld konden gebruiken om de energietoestand van de ene stabiele toestand naar de andere te veranderen.

“Wat er gebeurt, is dat dit molecuul zich gedraagt ​​alsof het twee stabiele polarisatietoestanden heeft”, zei Reed. Hij voegde eraan toe dat het team een ​​verscheidenheid aan experimenten uitvoerde, waarbij ze de transportkenmerken meten terwijl ze een elektrisch veld aanleggen en de toestanden heen en weer schakelen. ‘We hebben laten zien dat we er een herinnering aan kunnen maken – lezen, schrijven, lezen, schrijven’, zei hij.

Reed benadrukte dat de huidige apparaatstructuur momenteel niet praktisch is voor welke toepassing dan ook, maar bewijst dat de onderliggende wetenschap erachter mogelijk is.

“Het belangrijkste hierin is dat het laat zien dat je in een molecuul twee toestanden kunt creëren die de spontane polarisatie veroorzaken en twee schakelbare toestanden”, zei hij. “En dit kan mensen het idee geven dat je het geheugen misschien letterlijk kunt verkleinen tot het ene moleculaire niveau. Nu we begrijpen dat we dat kunnen, kunnen we er meer interessante dingen mee doen.”