Wetenschappers vinden een nieuwe manier om elektriciteit op de kleinste schaal te beheersen

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside, hebben ontdekt hoe ze de elektrische stroom door kristallijn silicium kunnen manipuleren, een materiaal in het hart van de moderne technologie. De ontdekking kan leiden tot kleinere, snellere en efficiëntere apparaten door het gedrag van kwantumelektronen te benutten.

Op de kwantumschaal gedragen elektronen zich meer als golven dan als deeltjes. En nu hebben wetenschappers aangetoond dat de symmetrische structuur van siliciummoleculen kan worden verfijnd om een ​​fenomeen te creëren of te onderdrukken dat bekend staat als destructieve interferentie. Het effect kan de geleidbaarheid “of” off “veranderen als een schakelaar op moleculaire schaal.

“We ontdekten dat wanneer kleine siliciumstructuren worden gevormd met hoge symmetrie, ze de elektronenstroom kunnen annuleren zoals ruisonderdrukkingshoofdtelefoons,” zei Tim Su, een UCR-chemische professor die de studie leidde. “Wat opwindend is, is dat we het kunnen beheersen.”

Gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Societyde onderzoek Breekt de grond om te begrijpen hoe elektriciteit door silicium beweegt op de kleinst mogelijke schaal, atoom door atoom.

De bevinding komt wanneer de technische industrie een muur raakt bij het krimpen van conventionele siliciumchips. Traditionele methoden vertrouwen op het snijden van kleine circuits in siliciumwafels of doping, wat betekent dat het toevoegen van kleine hoeveelheden andere elementen om te regelen hoe silicium elektriciteit leidt.

Deze technieken werken al tientallen jaren goed, maar ze naderen fysieke limieten: je kunt alleen zo klein snijden en toegevoegde atomen kunnen geen problemen oplossen veroorzaakt door kwantumeffecten.

Su en zijn team daarentegen gebruikten chemie om siliciummoleculen vanaf de grond te bouwen, in plaats van ze te snijden. Deze “bottom-up” -benadering gaf hen nauwkeurige controle over hoe de atomen werden gerangschikt en, kritisch, controle over de manier waarop elektronen door hun siliciumstructuren bewegen.

Silicium is het tweede meest voorkomende element in de korst van de aarde en het werkpaard van computergebruik. Maar terwijl apparaten krimpen, maken onvoorspelbare kwantumeffecten, zoals elektronen die over isolerende barrières lekken, traditionele ontwerpen moeilijker te beheren. Deze nieuwe studie suggereert dat ingenieurs dit kwantumgedrag kunnen omarmen in plaats van vechten.

“Ons werk laat zien hoe moleculaire symmetrie in silicium leidt tot interferentie -effecten die regelen hoe elektronen erdoorheen bewegen,” zei Su. “En we kunnen die interferentie in- of uitschakelen door te regelen hoe elektroden zich aansluiten bij ons molecuul.”

Hoewel het idee van het gebruik van kwantuminterferentie in elektronica niet nieuw is, is dit een van de eerste demonstraties van het effect in driedimensionaal, diamantachtige silicium-dezelfde structuur die wordt gebruikt in commerciële chips.

Naast ultra-kleine schakelaars kunnen de bevindingen helpen bij de ontwikkeling van thermo-elektrische apparaten die afvalwarmte omzetten in elektriciteit, of zelfs kwantum computergecomponenten gebouwd van bekende materialen.

“Dit geeft ons een fundamenteel nieuwe manier om na te denken over schakelen en transport,” zei Su. “Het is niet alleen een tweak. Het is een heroverweging van wat silicium kan doen.”