Att notera de häpnadsväckande framstegen inom halvledarteknik, Intels grundare Gordon Moore föreslog att antalet transistorer på ett chip kommer att fördubblas varje år, en observation som har fötts sedan han gjorde påståendet 1965. Ändå, det är osannolikt att Moore kunde ha förutsett omfattningen av den elektronikrevolution som för närvarande pågår.

I dag, en ny typ av enheter, har unika egenskaper, håller på att utvecklas. När ultraminiatyriseringen fortsätter i snabb takt, forskare har börjat utforska skärningspunkten mellan fysikaliska och kemiska egenskaper som förekommer i molekylär skala.

Framsteg inom denna snabba domän kan förbättra enheter för datalagring och informationsbearbetning och hjälpa till med utvecklingen av molekylära switchar, bland andra innovationer.

Nongjian "NJ" Tao och hans medarbetare beskrev nyligen en serie studier av elektrisk konduktans genom enstaka molekyler. Att skapa elektronik i denna oändliga skala innebär många utmaningar. I de ultrasmå, kvantvärldens säregna egenskaper håller i sig. Här, elektroner som flyter som ström beter sig som vågor och är föremål för ett fenomen som kallas kvantinterferens. Förmågan att manipulera detta kvantfenomen kan hjälpa till att öppna dörren till nya nanoelektroniska enheter med ovanliga egenskaper.

"Vi är intresserade av att inte bara mäta kvantfenomen i enstaka molekyler, men också kontrollera dem. Detta gör att vi kan förstå den grundläggande laddningstransporten i molekylära system och studera nya enhetsfunktioner, " säger Tao.

Tao är chef för Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. I forskning som visas i tidskriften Naturmaterial , Tao och kollegor från Japan, Kina och Storbritannien skisserar experiment där en enda organisk molekyl suspenderas mellan ett par elektroder när en ström passerar genom den lilla strukturen.

Forskarna utforskar laddningstransportegenskaperna genom molekylerna. De visade att en spöklik vågliknande egenskap hos elektroner – känd som kvantinterferens – kan moduleras exakt i två olika konfigurationer av molekylen, känd som Para och Meta.

Det visar sig att kvantinterferenseffekter kan orsaka betydande variation i konduktansegenskaperna hos enheter i molekylskala. Genom att kontrollera kvantinterferensen, gruppen visade att elektrisk konduktans för en enda molekyl kan finjusteras över två storleksordningar. Att exakt och kontinuerligt kontrollera kvantinterferens ses som en nyckelingrediens i den framtida utvecklingen av elektronik i molekylär skala, arbetar med hög hastighet och låg effekt.

Sådana enkelmolekylära enheter skulle potentiellt kunna fungera som transistorer, ledningar, likriktare, switchar eller logiska grindar och kan hitta sin väg till futuristiska tillämpningar inklusive supraledande kvantinterferensenheter (SQUID), kvantkryptografi, och kvantberäkning.

För den aktuella studien, molekylerna – ringformade kolväten som kan förekomma i olika konfigurationer – användes, eftersom de är bland de enklaste och mest mångsidiga kandidaterna för att modellera beteendet hos molekylär elektronik och är idealiska för att observera kvantinterferenseffekter på nanoskala.

För att undersöka hur laddningen rör sig genom en enda molekyl, så kallade break junction-mätningar gjordes. Testerna involverar användning av ett scanning tunnelmikroskop eller STM. Molekylen som studeras är placerad mellan ett guldsubstrat och guldspetsen på STM-anordningen. Spetsen på STM förs upprepade gånger in och ur kontakt med molekylen, bryta och reformera korsningen medan strömmen passerar genom varje terminal.

Tusentals konduktans- kontra avståndsspår registrerades, med de speciella molekylära egenskaperna hos de två molekylerna som användes för experimenten som förändrar elektronflödet genom förbindelsen. Molekyler i "Para"-konfigurationen visade högre konduktansvärden än molekyler av "Meta"-formen, indikerar konstruktiv vs destruktiv kvantinterferens i molekylerna.

Genom att använda en teknik som kallas elektrokemisk gating, forskarna kunde kontinuerligt kontrollera konduktansen över två storleksordningar. Förr, ändring av kvantinterferensegenskaper krävde modifieringar av den laddningsbärande molekyl som användes för enheten. Den aktuella studien markerar det första tillfället av konduktansreglering i en enda molekyl.

Som författarna noterar, konduktans på molekylär skala påverkas känsligt av kvantinterferens som involverar molekylens elektronorbitaler. Specifikt, interferens mellan den högsta ockuperade molekylära orbitalen eller HOMO och den lägsta lediga molekylära orbitalen eller LUMO verkar vara den dominerande bestämningsfaktorn för konduktans i enstaka molekyler. Med hjälp av en elektrokemisk grindspänning, kvantinterferens i molekylerna kan finjusteras.

Forskarna kunde visa god överensstämmelse mellan teoretiska beräkningar och experimentella resultat, vilket indikerar att HOMO- och LUMO-bidragen till konduktansen var additiv för Para-molekyler, resulterar i konstruktiv störning, och subtraktiv för Meta, leder till destruktiv störning, ungefär som vågor i vatten kan kombineras för att bilda en större våg eller ta ut varandra, beroende på deras fas.

Medan tidigare teoretiska beräkningar av laddningstransport genom enstaka molekyler hade utförts, experimentell verifiering har fått vänta på ett antal framsteg inom nanoteknik, scanning sond mikroskopi, och metoder för att bilda elektriskt funktionella anslutningar av molekyler till metallytor. Nu, med förmågan att subtilt ändra konduktans genom manipulering av kvantinterferens, området molekylär elektronik är öppet för ett brett utbud av innovationer.