Ett internationellt team av forskare från Queen Mary University of London, University of Oxford, Lancaster University och University of Waterloo har utvecklat en ny enkelmolekylär transistor som använder kvantinterferens för att styra flödet av elektroner. Transistorn, som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Nanotechnology , öppnar nya möjligheter för att använda kvanteffekter i elektroniska enheter.
Transistorer är de grundläggande byggstenarna i modern elektronik. De används för att förstärka och växla elektriska signaler, och de är viktiga för allt från smartphones till rymdskepp. Den traditionella metoden att tillverka transistorer, som går ut på att etsa kisel i små kanaler, håller på att nå sina gränser.
När transistorer blir mindre blir de allt mer ineffektiva och känsliga för fel, eftersom elektroner kan läcka genom enheten även när den ska vara avstängd, genom en process som kallas kvanttunneling. Forskare undersöker nya typer av omkopplingsmekanismer som kan användas med olika material för att ta bort denna effekt.
I de nanoskala strukturer som professor Jan Mol, Dr James Thomas och deras grupp studerar vid Queen Mary's School of Physical and Chemical Sciences dominerar kvantmekaniska effekter och elektroner beter sig som vågor snarare än partiklar. Genom att dra nytta av dessa kvanteffekter byggde forskarna en ny transistor.
Transistorns ledande kanal är en enda zinkporfyrin, en molekyl som kan leda elektricitet. Porfyrinet är inklämt mellan två grafenelektroder, och när en spänning appliceras på elektroderna kan elektronflödet genom molekylen kontrolleras med hjälp av kvantinterferens.
Interferens är ett fenomen som uppstår när två vågor interagerar med varandra och antingen tar ut varandra (destruktiv interferens) eller förstärker varandra (konstruktiv interferens). I den nya transistorns fall slog forskare på och av transistorn genom att kontrollera om elektronerna interfererar konstruktivt (på) eller destruktivt (av) när de strömmar genom zinkporfyrinmolekylen.
Forskarna fann att den nya transistorn har ett mycket högt på/av-förhållande, vilket innebär att den kan slås på och av mycket exakt. Destruktiv kvantinterferens spelar en avgörande roll i detta genom att eliminera det läckande elektronflödet från kvanttunnlar genom transistorn när den ska vara avstängd.
De fann också att transistorn är mycket stabil. Tidigare transistorer gjorda av en enda molekyl har bara kunnat demonstrera en handfull omkopplingscykler. Den här enheten kan dock användas i hundratusentals cykler utan att gå sönder.
"Kvantinterferens är ett kraftfullt fenomen som har potential att användas i en mängd olika elektroniktillämpningar", säger huvudförfattaren Dr James Thomas, lektor i Quantum Technologies vid Queen Mary. "Vi tror att vårt arbete är ett viktigt steg mot att förverkliga denna potential."
"Våra resultat visar att kvantinterferens kan användas för att styra flödet av elektroner i transistorer och att detta kan göras på ett sätt som är både effektivt och tillförlitligt", säger medförfattaren professor Jan Mol. "Detta kan leda till utvecklingen av nya typer av transistorer som är mindre, snabbare och mer energieffektiva än nuvarande enheter."
Forskarna fann också att kvantinterferenseffekterna kunde användas för att förbättra transistorns undertröskelsvängning, vilket är ett mått på hur känslig transistorn är för förändringar i gate-spänningen. Ju lägre subtröskelsvängning desto effektivare är transistorn.
Forskarnas transistorer hade ett undertröskelsvängning på 140 mV/dec, vilket är bättre än undertröskelsvängningar som rapporterats för andra enmolekylära transistorer och jämförbart med större enheter tillverkade av material som kolnanorör.
Forskningen är fortfarande i inledningsskedet, men forskarna är optimistiska att den nya transistorn kan användas för att skapa en ny generation av elektroniska enheter. Dessa enheter kan användas i en mängd olika applikationer, från datorer och smartphones och slutar med medicinsk utrustning.
Mer information: Zhixin Chen et al, Quantum interferens förbättrar prestandan hos enkelmolekylära transistorer, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01633-1
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av Queen Mary, University of London
