Ett internationellt forskargrupp, som inkluderar professor Enrique del Barco vid University of Central Florida och Christian A. Nijhuis från National University of Singapore, har hittat ett sätt att förstå och manipulera övergången av laddningar i molekylära övergångar.

En molekylär övergång förbinder molekyler med två metalliska elektroder, som guld. För att elektroner ska strömma genom korsningen behöver de övervinna en barriär. När temperaturen höjs, elektronerna kan lättare hoppa över barriären.

Avgiftsöverföringar dominerar många kemiska reaktioner, som när järn rostar och blir brunt. Järnet tappar elektroner, orsakar rost. Järn är en metall, men samma sak gäller molekylära reaktioner, känd som elektrokemi. Vetenskapen bakom molekylär laddningsöverföring är väl förstådd inom kemi, och förklaras av den så kallade Marcus Theory.

Enligt denna teori, molekylära reaktionshastigheter kan ställas in genom att öka eller minska temperaturen (känd som Direct Marcus -regimen). Dock, under vissa omständigheter, reaktionen kan tas in i den inverterade Marcus -regimen, där reaktionen blir okänslig för temperaturförändringar, och kan hoppa utan att korsa en barriär.

Laddningsöverföringsprocesser blir också allt viktigare inom det framväxande området molekylär elektronik, där forskare strävar efter den minsta skalan för elektriska kretsar, där de grundläggande byggstenarna i modern elektronik är baserade på molekyler.

Ett exempel på detta är molekylära dioder (molekylära enheter som kan välja flödet av laddningsström), som är av avgörande betydelse som de grundläggande byggstenarna i molekylära kretsar - framtiden för att driva vår elektronik.

Problemet är att forskare länge har sett molekylära dioder bete sig i någon av de två Marcus -regimerna på ett sätt de inte förstod.

"Vi har sett liknande molekyler bete sig på helt olika sätt, och väldigt olika molekyler som beter sig väldigt lika utan någon uppenbar anledning, "sade del Barco." Detta är mycket överraskande i en tid då vår kunskap om molekylära korsningar har väsentligt avancerat. Med två elektroder och en molekyl däremellan, laddningen flyter inte; det hoppar. Men det finns tillfällen då det visar en barriär, och andra gånger gör det inte det, och det här är vad vi har arbetat hårt med att ta reda på. "

I nära samarbete med sin kollega i Singapore, laget experimenterade med elektriska fält och temperatur för att se hur laddning flödar genom olika molekylära dioder.

Till sist, de hittade en molekyl som tillät dem att utforska de två Marcus -regimerna, genom att ändra sitt temperaturberoende efter behag.

"Detta är ett genombrott. Om vi ​​tänker på denna komplexa molekyl som två olika enheter kopplade ihop, när laddningen hoppar in i en enhet, det genererar ett elektriskt fält å andra sidan, och vice versa, "förklarade del Barco." Denna inre elektriska grind är proportionell mot mängden laddning i molekylen som helhet, som den ökar med spänningen som appliceras på enheten, och får molekylär diod att passera mellan de två Marcus -regimerna. Det här är första gången vi har sett en sådan övergång inom molekylär elektronik. "

Bortsett från de viktiga konsekvenserna av denna upptäckt inom kemi, det visar sig att denna molekyl representerar det första molekylära exemplet på en dubbel kvantpunkt, med spännande potential inom fysik. Detta sätter molekylära system i framväxande teknik som kvantinformation och beräkning i sikte.

Kvantprickar beter sig som atomer, men har mer tillgängliga energinivåer för att leda elektricitet, gör kvantprickar till ett idealiskt sätt att driva datorer och andra elektroniska enheter.

Kisel är det som driver våra smartphones och datorer idag. I framtiden, molekylär elektronik kan erbjuda kompletterande funktioner utöver vad som är möjligt med Silicon. Kisel har begränsningar, och kan inte gå så liten som molekylär elektronik kan. Del Barco säger i framtiden, molekylär teknik kommer att användas tillsammans med kisel, för att skapa nya elektronikapplikationer.

Del Barco och Nijuhuis arbete, publicerad i Naturnanoteknik , kommer att bidra till att öka förståelsen för kvantteknik.