Kwantumeigenschappen gebruiken om apparaten met één molecuul te maken

Onderzoekers, geleid door Columbia Engineering Professor Latha Venkataraman, melden vandaag dat ze een nieuw chemisch ontwerpprincipe hebben ontdekt voor het benutten van destructieve kwantuminterferentie. Ze gebruikten hun aanpak om een ​​enkele-molecule-schakelaar van zes nanometer te creëren waarbij de aan-toestandstroom meer dan 10.000 keer groter is dan de uit-toestandstroom – de grootste verandering in stroom die tot nu toe is bereikt voor een circuit met één molecuul.

Deze nieuwe schakelaar is gebaseerd op een soort kwantuminterferentie die tot nu toe niet is onderzocht. De onderzoekers gebruikten lange moleculen met een speciale centrale eenheid om destructieve kwantuminterferentie tussen verschillende elektronische energieniveaus te versterken. Ze toonden aan dat hun aanpak kan worden gebruikt om zeer stabiele en reproduceerbare schakelaars van één molecuul bij kamertemperatuur te produceren die stromen van meer dan 0,1 microampère kunnen dragen in de aan-toestand. De lengte van de schakelaar is vergelijkbaar met de grootte van de kleinste computerchips die momenteel op de markt zijn en de eigenschappen benaderen die van commerciële schakelaars. De studie is vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

“We observeerden transport over een moleculaire draad van zes nanometer, wat opmerkelijk is omdat transport over zulke lange lengteschalen zelden wordt waargenomen”, zegt Venkataraman, hoogleraar Toegepaste Natuurkunde van Lawrence Gussman, hoogleraar scheikunde en Vice Provost voor Facultaire Zaken. “In feite is dit het langste molecuul dat we ooit in ons laboratorium hebben gemeten.”

In de afgelopen 45 jaar hebben gestage afnames in transistorgrootte dramatische verbeteringen in computerverwerking en steeds kleiner wordende apparaatafmetingen mogelijk gemaakt. De smartphones van tegenwoordig bevatten honderden miljoenen transistors van silicium. De huidige methoden voor het maken van transistors naderen echter snel de afmetingen en prestatielimieten van silicium. Dus als de computerverwerking vooruit wil, moeten onderzoekers schakelmechanismen ontwikkelen die kunnen worden gebruikt met nieuwe materialen.

Venkataraman loopt voorop op het gebied van moleculaire elektronica. Haar lab meet de fundamentele eigenschappen van apparaten met één molecuul en probeert het samenspel van natuurkunde, scheikunde en techniek op nanometerschaal te begrijpen. Ze is vooral geïnteresseerd in het verwerven van een dieper begrip van de fundamentele fysica van elektronentransport, terwijl ze de basis legt voor technologische vooruitgang.

Op nanometerschaal gedragen elektronen zich meer als golven dan als deeltjes en vindt elektronentransport plaats via tunneling. Net als golven op het wateroppervlak kunnen elektronengolven constructief interfereren of destructief interfereren. Dit resulteert in niet-lineaire processen. Als twee golven bijvoorbeeld constructief interfereren, is de amplitude (of hoogte) van de resulterende golf meer dan de som van de twee onafhankelijke golven. Twee golven kunnen volledig worden uitgeschakeld met destructieve interferentie.

“Het feit dat elektronen zich gedragen als golven, is de essentie van de kwantummechanica”, merkte Venkataraman op.

Op moleculaire schaal domineren kwantummechanische effecten het elektronentransport. Onderzoekers hebben lang voorspeld dat de niet-lineaire effecten die door kwantuminterferentie worden geproduceerd, schakelaars van één molecuul met grote aan / uit-verhoudingen mogelijk zouden moeten maken. Als ze de kwantummechanische eigenschappen van moleculen zouden kunnen benutten om circuitelementen te maken, zouden ze snellere, kleinere en energiezuinigere apparaten mogelijk kunnen maken, waaronder schakelaars.

“Het maken van transistors uit afzonderlijke moleculen vertegenwoordigt de ultieme limiet in termen van miniaturisatie en heeft het potentieel om exponentieel snellere verwerking mogelijk te maken terwijl het stroomverbruik wordt verminderd”, aldus Venkataraman. “Het maken van apparaten met één molecuul die stabiel zijn en in staat zijn om herhaalde schakelcycli te doorstaan, is een niet-triviale taak. Onze resultaten effenen de weg naar het maken van transistors met één molecuul.”

Een veel voorkomende analogie is om aan transistors te denken als een klep op een buis. Als de klep open is, stroomt er water door de buis. Als het gesloten is, is het water geblokkeerd. In transistors wordt de waterstroom vervangen door de stroom van elektronen of stroom. In de aan-toestand vloeit er stroom. In de uit-toestand is de stroom geblokkeerd. Idealiter moet de hoeveelheid stroom die in de aan- en uit-toestanden vloeit heel verschillend zijn; anders is de transistor als een lekkende buis waar het moeilijk te zeggen is of de klep open of gesloten is. Aangezien transistors functioneren als schakelaars, is een eerste stap bij het ontwerpen van moleculaire transistors het ontwerpen van systemen waarbij u de stroom kunt schakelen tussen een aan en uit. De meeste eerdere ontwerpen hebben echter lekkende transistors gecreëerd door korte moleculen te gebruiken waarbij het verschil tussen de aan- en de uit-toestand niet significant was.

Om dit te overwinnen, moesten Venkataraman en haar team een ​​aantal hindernissen nemen. Hun belangrijkste uitdaging was om chemische ontwerpprincipes te gebruiken om moleculaire circuits te creëren waar kwantuminterferentie-effecten de stroom in de uit-toestand sterk konden onderdrukken, waardoor de lekkageproblemen werden beperkt.

“Het is moeilijk om de stroom in korte moleculen volledig uit te schakelen vanwege de grotere kans op kwantummechanische tunneling over kortere lengteschalen”, verklaarde hoofdauteur Julia Greenwald, een Ph.D. student in het laboratorium van Venkataraman. “Het omgekeerde geldt voor lange moleculen, waar het vaak moeilijk is om hoge stroomsterkten in de toestand te bereiken omdat de kans op tunnelen afneemt met de lengte. De circuits die we hebben ontworpen zijn uniek vanwege hun lengte en hun grote aan / uit-verhouding; we zijn nu in staat om zowel een hoge inschakelstroom als een zeer lage uitschakelstroom te bereiken. “

Het team van Venkataraman creëerde hun apparaten met behulp van lange moleculen die zijn gesynthetiseerd door medewerker Peter Skabara, Ramsay Chair of Chemistry, en zijn groep aan de Universiteit van Glasgow. Lange moleculen zijn gemakkelijk te vangen tussen metalen contacten om circuits met één molecuul te creëren. De circuits zijn zeer stabiel en kunnen herhaaldelijk hoge aangelegde spanningen (meer dan 1,5 V) aan. De elektronische structuur van de moleculen versterkt de interferentie-effecten, waardoor een uitgesproken niet-lineariteit van de stroom mogelijk is als functie van de aangelegde spanning, wat leidt tot een zeer grote verhouding tussen inschakelstroom en uit-toestandstroom.

De onderzoekers blijven samenwerken met het team van de Universiteit van Glasgow om te zien of hun ontwerpbenadering kan worden toegepast op andere moleculen, en om een ​​systeem te ontwikkelen waarbij de schakelaar kan worden geactiveerd door een externe stimulus.

“Het bouwen van een switch uit een enkel molecuul is een zeer opwindende stap in de richting van bottom-up ontwerp van materialen met behulp van moleculaire bouwstenen”, zei Greenwald. “Het bouwen van elektronische apparaten met enkele moleculen die als circuitcomponenten fungeren, zou echt transformatief zijn.”

De studie is getiteld “Zeer niet-lineair transport over knooppunten van één molecuul via destructieve kwantuminterferentie.”