Forskare, ledd av Columbia Engineering Professor Latha Venkataraman, rapporterar idag att de har upptäckt en ny kemisk designprincip för att utnyttja destruktiv kvantinterferens. De använde sitt tillvägagångssätt för att skapa en sex nanometer enkelmolekylomkopplare där på-tillståndsströmmen är mer än 10, 000 gånger större än off-state-strömmen - den största förändringen i ström som uppnåtts för en enmolekylär krets hittills.

Denna nya switch förlitar sig på en typ av kvantinterferens som inte har tills nu, utforskats. Forskarna använde långa molekyler med en speciell central enhet för att förbättra destruktiv kvantinterferens mellan olika elektroniska energinivåer. De visade att deras tillvägagångssätt kan användas för att producera mycket stabila och reproducerbara enkelmolekylomkopplare vid rumstemperatur som kan bära strömmar som överstiger 0,1 mikroampere i on-state. Switchens längd liknar storleken på de minsta datorchipsen som för närvarande finns på marknaden och dess egenskaper närmar sig de hos kommersiella switchar. Studien publiceras idag i Naturens nanoteknik .

"Vi observerade transport över en sex nanometer molekylär tråd, vilket är anmärkningsvärt eftersom transport över så långa skalor sällan observeras, sa Venkataraman, Lawrence Gussman professor i tillämpad fysik, professor i kemi, och vice prost för fakultetsärenden. "Faktiskt, det här är den längsta molekyl vi någonsin har mätt i vårt labb."

Under de senaste 45 åren, stadiga minskningar av transistorstorlekar har möjliggjort dramatiska förbättringar av datorbehandling och ständigt krympande enhetsstorlekar. Dagens smartphones innehåller hundratals miljoner transistorer gjorda av kisel. Dock, nuvarande metoder för att tillverka transistorer närmar sig snabbt storleks- och prestandagränserna för kisel. Så, om datorbehandlingen ska gå framåt, forskare behöver utveckla omkopplingsmekanismer som kan användas med nya material.

Venkataraman ligger i framkant av molekylär elektronik. Hennes labb mäter grundläggande egenskaper hos enmolekylära enheter, försöker förstå fysikens samspel, kemi, och ingenjörskonst på nanometerskala. Hon är särskilt intresserad av att få en djupare förståelse för elektrontransportens grundläggande fysik, samtidigt som de lägger grunden för tekniska framsteg.

På nanometerskalan, elektroner beter sig som vågor snarare än partiklar och elektrontransport sker via tunnling. Som vågor på vattenytan, elektronvågor kan konstruktivt störa eller destruktivt störa. Detta resulterar i icke-linjära processer. Till exempel, om två vågor konstruktivt stör, amplituden (eller höjden) av den resulterande vågen är mer än summan av de två oberoende vågorna. Två vågor kan elimineras helt med destruktiv störning.

"Det faktum att elektroner beter sig som vågor är kärnan i kvantmekaniken, " noterade Venkataraman.

I molekylär skala, kvantmekaniska effekter dominerar elektrontransport. Forskare har länge förutspått att de olinjära effekterna som produceras av kvantinterferens bör möjliggöra enmolekylära switchar med stora på/av-förhållanden. Om de kunde utnyttja de kvantmekaniska egenskaperna hos molekyler för att göra kretselement, de skulle kunna aktivera snabbare, mindre, och mer energieffektiva enheter, inklusive strömbrytare.

"Att göra transistorer av enstaka molekyler representerar den yttersta gränsen när det gäller miniatyrisering och har potential att möjliggöra exponentiellt snabbare bearbetning samtidigt som energiförbrukningen minskar, ", sade Venkataraman. "Att göra enheter med en enda molekyl som är stabila och kan tåla upprepade växlingscykler är en icke-trivial uppgift. Våra resultat banar väg för att göra transistorer med en molekyl."

En vanlig analogi är att tänka på transistorer som en ventil på ett rör. När ventilen är öppen, vatten rinner genom röret. När den är stängd, vattnet är blockerat. I transistorer, vattenflödet ersätts med flödet av elektroner, eller aktuell. I tillståndet, ström flyter. I off-state, strömmen är blockerad. Helst mängden ström som flyter i till- och från-tillstånden måste vara mycket olika; annat, transistorn är som ett läckande rör där det är svårt att avgöra om ventilen är öppen eller stängd. Eftersom transistorer fungerar som omkopplare, ett första steg i att designa molekylära transistorer är att designa system där du kan växla strömflöde mellan ett på- och från-läge. De flesta tidigare mönster, dock, har skapat läckande transistorer genom att använda korta molekyler där skillnaden mellan on- och off-state inte var signifikant.

För att övervinna detta, Venkataraman och hennes team mötte ett antal hinder. Deras främsta utmaning var att använda kemiska designprinciper för att skapa molekylära kretsar där kvantinterferenseffekter kraftigt kunde undertrycka ström i off-state, på så sätt lindra läckageproblemen.

"Det är svårt att helt stänga av strömflödet i korta molekyler på grund av den större sannolikheten för kvantmekanisk tunnling över kortare längdskalor", förklarade studiens huvudförfattare Julia Greenwald, en Ph.D. student i Venkataramans labb. "Det omvända är sant för långa molekyler, där det ofta är svårt att uppnå höga på-tillståndsströmmar eftersom sannolikheten för tunnling avtar med längden. Kretsarna vi designat är unika på grund av deras längd och deras stora på/av-förhållande; vi kan nu uppnå både en hög på-tillståndsström och mycket låg off-state-ström."

Venkataramans team skapade sina enheter med långa molekyler syntetiserade av samarbetspartnern Peter Skabara, Ramsay ordförande för kemi, och hans grupp vid University of Glasgow. Långa molekyler är lätta att fånga mellan metallkontakter för att skapa enmolekylära kretsar. Kretsarna är mycket stabila och kan upprepade gånger upprätthålla höga pålagda spänningar (över 1,5 V). Molekylernas elektroniska struktur förstärker interferenseffekter, möjliggör en uttalad olinjäritet i ström som funktion av pålagd spänning, vilket leder till ett mycket stort förhållande mellan på-tillståndsström och off-state-ström.

Forskarna fortsätter att arbeta med teamet vid University of Glasgow för att se om deras designstrategi kan tillämpas på andra molekyler, och att utveckla ett system där switchen kan triggas av en extern stimulans.

"Vår konstruktion av en switch från en enda molekyl är ett mycket spännande steg mot design av material nedifrån och upp med molekylära byggstenar, Greenwald sa. "Att bygga elektroniska enheter med enstaka molekyler som fungerar som kretskomponenter skulle verkligen vara transformativt."

Studien har titeln "Mycket olinjär transport över enkelmolekylära korsningar via destruktiv kvantinterferens."