Miniatyrisering har länge varit det magiska ordet inom elektronik. Dr Willi Auwaerter och professor Johannes Barth, tillsammans med deras team av fysiker vid Technische Universitaet Muenchen (TUM), har nu presenterat en ny molekylär switch i tidskriften Naturnanoteknik . Avgörande för omkopplarens funktionalitet är positionen för en enda proton i en porfyrinring med en innerdiameter på mindre än en halv nanometer. Fysikerna kan ställa fyra olika tillstånd på begäran.

Porfiner är ringformade molekyler som flexibelt kan ändra sin struktur, vilket gör dem användbara för en mängd olika applikationer. Tetrafenylporphyrin är inget undantag:det gillar att ta på sig en sadelform och är inte begränsat i sin funktionalitet när det är förankrat på en metallyta. Molekylhållaren har ett par väteatomer som kan ändra sina positioner mellan två konfigurationer vardera. Vid rumstemperatur sker denna process kontinuerligt i extremt snabb takt.

I deras experiment, forskarna undertryckte denna spontana rörelse genom att kyla provet. Detta gjorde det möjligt för dem att inducera och observera hela processen i en enda molekyl med hjälp av ett scanningstunnelmikroskop. Denna typ av mikroskop är särskilt väl lämpad för uppgiften eftersom den - i motsats till andra metoder - inte bara kan användas för att bestämma start- och sluttillstånd, men låter också fysikerna styra väteatomerna direkt. I ett ytterligare steg tog de bort en av de två protonerna från insidan av porfyrinringen. Den återstående protonen kan nu inta vilken som helst av fyra positioner. En liten ström som rinner genom mikroskopets fina spets stimulerar protonöverföringen, ställa in en specifik konfiguration i processen.

Även om de respektive positionerna för väteatomerna varken påverkar molekylens grundstruktur eller dess bindning till metallytan, staterna är inte identiska. Denna lilla men betydande skillnad, tillsammans med det faktum att processen godtyckligt kan upprepas, utgör grunden för en switch vars tillstånd kan ändras upp till 500 gånger per sekund. En enda tunnelad elektron initierar protonöverföringen.

Den molekylära omkopplaren har en ytarea på endast en kvadratisk nanometer, vilket gör den till den minsta switch som hittills har implementerats. Fysikerna är glada över deras demonstration och är också mycket glada över nya insikter i mekanismen bakom protonöverföringen som följer av deras studie. Knud Seufert spelade en nyckelroll med sina experiment:"Att driva en fyrstatsswitch genom att flytta en enda proton i en molekyl är verkligen fascinerande och representerar ett verkligt steg framåt i nanoskala-teknik."