Uniek molecuul kan leiden tot kleinere, efficiëntere computers

Tegenwoordig hebben de meesten van ons een vrij krachtige computer in onze hand – een smartphone. Maar computers waren niet altijd zo draagbaar. Sinds de jaren tachtig zijn ze kleiner, lichter en beter uitgerust om enorme gegevens op te slaan en te verwerken. Toch kunnen de siliciumchips die Power Computers slechts zo klein worden.

“In de afgelopen 50 jaar is het aantal transistors dat we op een chip kunnen zetten om de twee jaar verdubbeld”, zegt Kun Wang, universitair docent natuurkunde aan het University of Miami College of Arts and Sciences. “Maar we bereiken snel de fysieke limieten voor op siliconen gebaseerde elektronica, en het is uitdagender om elektronische componenten te miniaturiseren met behulp van de we die we al een halve eeuw gebruiken.”

Het is een probleem dat Wang en velen in zijn gebied van moleculaire elektronica hoopt op te lossen. In het bijzonder zijn ze op zoek naar een manier om elektriciteit te leiden zonder silicium of metaal te gebruiken, die vandaag worden gebruikt om computerchips te maken. Het gebruik van kleine moleculaire materialen voor functionele componenten, zoals transistors, sensoren en interconnects in elektronische chips, biedt verschillende voordelen, vooral omdat traditionele op silicium gebaseerde technologieën hun fysieke en prestatielimieten naderen.

Maar het vinden van de ideale chemische make -up voor dit molecuul heeft stompte wetenschappers. Onlangs, Wang, samen met zijn afgestudeerde studenten, Mehrdad Shiri en Shaocheng Shen, en medewerkers Jason Azoulay, universitair hoofddocent aan het Georgia Institute of Technology, en Ignacio Franco, professor aan de Universiteit van Rochester, ontdekten een veelbelovende oplossing.

Deze week deelde het team wat zij geloven dat ’s werelds meest elektrisch geleidende organische molecuul is. Hun ontdekking, gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Societyopent nieuwe mogelijkheden voor het construeren van kleinere, krachtigere computerapparaten op moleculaire schaal. Nog beter, het molecuul bestaat uit chemische elementen die in de natuur worden gevonden – meestal koolstof, zwavel en stikstof.

“Tot nu toe is er geen moleculair materiaal waarmee elektronen er niet over kunnen gaan zonder aanzienlijk verlies van geleidbaarheid,” zei Wang. “Dit werk is de eerste demonstratie dat organische moleculen elektronen kunnen laten migreren zonder energieverlies over enkele tientallen nanometers.”

Het testen en valideren van hun unieke nieuwe molecuul duurde meer dan twee jaar.

Het werk van dit team onthult echter dat hun moleculen stabiel zijn onder dagelijkse omgevingsomstandigheden en bieden de hoogst mogelijke elektrische geleidbaarheid op ongeëvenaarde lengtes. Daarom zou het de weg kunnen effenen voor klassieke computerapparaten om kleiner, energie-efficiënter en kostenefficiënter te worden, voegde Wang eraan toe.

Momenteel neemt het vermogen van een molecuul om elektronen te geleiden exponentieel af naarmate de moleculaire grootte toeneemt. Deze nieuw ontwikkelde moleculaire “draden” zijn nodig snelwegen voor informatie over te dragen, verwerkt en opgeslagen in toekomstige computing, zei Wang.

“Wat uniek is in ons moleculaire systeem is dat elektronen door het molecuul reizen als een kogel zonder energieverlies, dus het is theoretisch de meest efficiënte manier van elektronentransport in elk materiaalsysteem,” merkte Wang op. “Het kan niet alleen toekomstige elektronische apparaten inkrimpen, maar de structuur kan ook functies mogelijk maken die niet eens mogelijk waren met op siliconen gebaseerde materialen.”

Wang betekent dat de vaardigheden van het molecuul nieuwe kansen kunnen creëren om een ​​revolutie teweeg te brengen in de op molecuul gebaseerde kwantuminformatiewetenschap.

“De ultrahoge elektrische geleidbaarheid waargenomen in onze moleculen is een gevolg van een intrigerende interactie van elektronenspins aan de twee uiteinden van het molecuul,” voegde hij eraan toe. “In de toekomst zou men dit moleculaire systeem kunnen gebruiken als een qubit, een fundamentele eenheid voor Quantum Computing.”

Het team kon deze vaardigheden opmerken door hun nieuwe molecuul te bestuderen onder een scanning -tunnelingmicroscoop (STM). Met behulp van een techniek genaamd STM Break-Junction, was het team in staat om een ​​enkel molecuul te vangen en de geleiding ervan te meten.

Shiri, de afgestudeerde student, voegde eraan toe: “In termen van toepassing is dit molecuul een grote sprong in de richting van real-world toepassingen. Omdat het chemisch robuust en luchtstabiel is, kan het zelfs worden geïntegreerd met bestaande nano-elektronische componenten in een chip en werkt als een elektronische draad of interconnects tussen chips.”

Verder zijn de materialen die nodig zijn om het molecuul te componeren goedkoop zijn en het kan in een lab worden gemaakt.

“Dit moleculaire systeem functioneert op een manier die niet mogelijk is bij huidige, conventionele materialen,” zei Wang. “Dit zijn nieuwe eigenschappen die niet zouden bijdragen aan de kosten, maar (computerapparatuur) krachtiger en energiezuiniger zouden maken.”