Ständigt krympande transistorer är nyckeln till snabbare och effektivare datorbehandling. Sedan 1970-talet, Framsteg inom elektronik har till stor del drivits av den jämna takt med vilken dessa små komponenter samtidigt har blivit mindre och kraftfullare – ända ner till deras nuvarande dimensioner på nanometerskalan. Men de senaste åren har sett denna framstegsplatå, som forskare brottas med om transistorer äntligen kan ha nått sin storleksgräns. Högt bland listan över hinder som står i vägen för ytterligare miniatyrisering:problem orsakade av "läckström".

Läckström uppstår när gapet mellan två metallelektroder minskar till den grad att elektroner inte längre innesluts av deras barriärer, ett fenomen som kallas kvantmekanisk tunnling. När klyftan fortsätter att minska, denna tunnelledning ökar med en exponentiellt högre hastighet, vilket gör ytterligare miniatyrisering extremt utmanande. Vetenskaplig konsensus har länge ansett att vakuumbarriärer är det mest effektiva sättet att begränsa tunneldrift, vilket gör dem till det bästa övergripande alternativet för att isolera transistorer. Dock, även vakuumbarriärer kan tillåta visst läckage på grund av kvanttunnelering.

I ett mycket tvärvetenskapligt samarbete, forskare i Columbia Engineering, Columbia University Department of Chemistry, Shanghai Normal University, och Köpenhamns universitet har förbättrat konventionell visdom, syntetisera den första molekylen som kan isolera på nanometerskala mer effektivt än en vakuumbarriär. Deras resultat publiceras online idag i Natur .

"Vi har nått den punkt där det är avgörande för forskare att utveckla kreativa lösningar för redesign av isolatorer. Vår molekylära strategi representerar en ny designprincip för klassiska enheter, med potential att stödja fortsatt miniatyrisering på kort sikt, "sa Columbia Engineering-fysikern och medförfattaren Latha Venkataraman, som leder labbet där forskaren Haixing Li genomfört projektets experimentella arbete. Molekylär syntes utfördes i Colin Nuckolls Lab vid Columbias Department of Chemistry, i samarbete med Shengxiong Xiao vid Shanghai Normal University.

Teamets insikt var att utnyttja elektronernas vågnatur. Genom att designa en extremt styv kiselbaserad molekyl under 1 nm i längd som uppvisade omfattande destruktiva interferenssignaturer, de utarbetade en ny teknik för att blockera ledning i tunnel på nanoskala.

"Detta kvantinterferensbaserade tillvägagångssätt sätter en ny standard för korta isolerande molekyler, "sa huvudförfattaren Marc Garner, en kemist vid Köpenhamns universitets Solomon Lab, som skötte det teoretiska arbetet. "Teoretiskt sett, störningar kan leda till att sannolikheten för tunnling helt avbryts, och vi har visat att den isolerande komponenten i vår molekyl är mindre ledande än ett vakuumgap med samma dimensioner. På samma gång, vårt arbete förbättrar också nyare forskning om kolbaserade system, som ansågs vara de bästa molekylära isolatorerna hittills. "

Destruktiv kvantinterferens uppstår när topparna och dalarna i två vågor är placerade exakt ur fas, annullera svängning. Elektroniska vågor kan ses som analoga med ljudvågor - flyter genom barriärer precis som ljudvågor "läcker" genom väggar. De unika egenskaper som uppvisas av teamets syntetiska molekyl mildrade tunnling utan att kräva, i denna analogi, en tjockare vägg.

Deras kiselbaserade strategi presenterar också en potentiellt mer fabriksklar lösning. Medan nyare forskning om kolnanorör lovar industriella tillämpningar under det kommande decenniet eller så, denna isolator – kompatibel med nuvarande industristandarder – skulle kunna implementeras lättare.

"Grattis till laget till detta genombrott, sa Mark Ratner, en pionjär inom området molekylär elektronik och professor emeritus vid Northwestern University som inte var involverad i studien. "Att använda interferens för att skapa en isolator har ignorerats fram till detta datum. Detta dokument visar förmågan till interferens, i ett kiselbaserat sigma-system, vilket är ganska imponerande."

Detta genombrott växte fram från teamets större projekt om kiselbaserad molekylelektronik, började 2010. Gruppen kom fram till sin senaste upptäckt genom att bryta trenden. Den mesta forskningen inom detta område syftar till att skapa högledande molekyler, då låg konduktans sällan anses vara en önskvärd egenskap inom elektronik. Ändå kan isolerande komponenter faktiskt visa sig vara av större värde för framtida optimering av transistorer, på grund av den inneboende energiineffektiviteten som orsakas av läckströmmar i mindre enheter.

Som ett resultat, deras arbete har gett ny förståelse för de grundläggande underliggande mekanismerna för ledning och isolering i enheter i molekylär skala. Forskarna kommer att bygga vidare på denna insikt genom att nästa klargöra detaljerna i struktur-funktionsförhållanden i kiselbaserade molekylära komponenter.

"Detta arbete har varit oerhört glädjande för oss, för under loppet av den har vi upprepade gånger upptäckt nya fenomen, "sa Venkataraman." Vi har tidigare visat att kiselmolekylära trådar kan fungera som switchar, och nu har vi visat att genom att ändra deras struktur, vi kan skapa isolatorer. Det finns mycket att lära inom det här området som kommer att bidra till att forma framtiden för elektronik i nanoskala."

Studien har titeln "Omfattande undertryckande av enmolekylär konduktans med destruktiv sigmastörning."