(Phys.org) —I en artikel publicerad i Nature Nanontechnology den 2 september, 2012, forskare från DOE:s Brookhaven National Laboratory och Columbia Universitys avdelningar för kemi och tillämpad fysik utforskar lagarna som styr elektronisk konduktans i molekylskala kretsar.

"Alla som har arbetat med grundläggande elektroniska kretsar vet att det finns några enkla vägregler, som Ohms lag, "förklarar medarbetaren Mark Hybertsen, en fysiker vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). Hybertsen gav teorin för att modellera det observerade kretsbeteendet med CFN:s beräkningsverktyg. "I flera år har vi ställt grundläggande frågor för att undersöka hur dessa regler kan vara annorlunda om den elektroniska kretsen krymper till en enda molekyls skala."

Konduktans mäter i vilken grad en krets leder elektricitet. I en enkel krets, om du kopplar ihop motstånden parallellt, elektronerna kan flöda genom två olika vägar. I detta fall, konduktansen för hela kretsen är helt enkelt summan av konduktansen för varje motstånd.

Dock, i en molekylär krets, reglerna som styr det nuvarande flödet involverar nu grundläggande kvantmekanik. I de flesta enkelmolekylära kretsar, molekylerna beter sig inte som konventionella motstånd; istället, elektronerna tunnlar genom molekylen. När molekylen erbjuder två vägar parallellt, den vågliknande rörelsen hos en elektron kan dramatiskt förändra hur konduktans adderar. För några år, experter på nanoteknik har misstänkt - men inte bevisat - att kvantstörningseffekter gör konduktansen hos en krets med två vägar upp till fyra gånger högre än konduktansen hos en krets med en enda väg.

För att ytterligare undersöka dessa kvantmekaniska effekter, forskarna behövde bygga sina egna styrbara nanostorlekar. Arbetar med Ronald Breslows grupp på Columbia, de designade och syntetiserade en serie molekyler för användning i experimentet.

"Tillförlitligt att göra en krets från en enda molekyl är verkligen utmanande, "säger Latha Venkataraman, en professor i Columbia Engineering Applied Physics vars grupp fulländade metoden som användes för att göra de molekylära kretsarna. "Tänk dig att försöka röra vid de två ändarna av en molekyl som bara är tio atomer lång."

För att göra kretsarna, Venkataramans grupp anpassade en skanningstunnelmikroskopapparat (STM) för att upprepade gånger trycka in en skarp guldspets i en annan guldelektrod och sedan dra bort den. När denna korsning går sönder, det finns ett ögonblick då gapet mellan de två guldbitarna passar perfekt för molekylen. När kretssystemet är installerat, konduktansmätningen är snabb och kan upprepas tusentals gånger för att få statistiskt tillförlitliga data.

Med denna metod, forskarna upptäckte att molekylerna med två inbyggda vägar som den som visualiseras i figuren till höger hade en konduktans som var större än summan av varje arms konduktans, även om ökningen inte var så stor som de hade räknat med. För att förstå denna effekt bättre, Columbias Hector Vasquez arbetade med Hybertsen för att beräkningssimulera den kvantmekaniska överföringen av en elektron genom varje krets.

"Både mätningarna och simuleringarna visar att molekylerna med två parallella vägar kan ha en konduktans som är större än två gånger molekylen med en enda väg, "sade Hybertsen." Detta är signaturen att kvantinterferenseffekten spelar en roll. "

Gruppen misstänker att andra faktorer, såsom molekylens bindning till elektroderna, måste beaktas vid beräkning av konduktansen hos en molekylär krets. De undersöker för närvarande andra centrala frågor om molekylär elektronik, inklusive hur enheten ändras när olika metaller används.