Observando os avanços surpreendentes na tecnologia de semicondutores, O cofundador da Intel, Gordon Moore, propôs que o número de transistores em um chip dobrará a cada ano, uma observação que nasceu desde que ele fez a afirmação em 1965. Ainda assim, é improvável que Moore pudesse ter previsto a extensão da revolução eletrônica em andamento.

Hoje, uma nova geração de dispositivos, tendo propriedades únicas, está sendo desenvolvido. À medida que a ultra-miniaturização continua em ritmo acelerado, os pesquisadores começaram a explorar a interseção das propriedades físicas e químicas que ocorrem na escala molecular.

Os avanços neste domínio acelerado podem melhorar os dispositivos para armazenamento de dados e processamento de informações e auxiliar no desenvolvimento de interruptores moleculares, entre outras inovações.

Nongjian "NJ" Tao e seus colaboradores descreveram recentemente uma série de estudos sobre condutância elétrica através de moléculas individuais. A criação de eletrônicos nesta escala infinitesimal apresenta muitos desafios. No mundo do ultra-minúsculo, as propriedades peculiares do mundo quântico dominam. Aqui, elétrons que fluem como corrente se comportam como ondas e estão sujeitos a um fenômeno conhecido como interferência quântica. A capacidade de manipular esse fenômeno quântico pode ajudar a abrir as portas para novos dispositivos nanoeletrônicos com propriedades incomuns.

"Estamos interessados ​​em não apenas medir fenômenos quânticos em moléculas individuais, mas também controlando-os. Isso nos permite entender o transporte básico de carga em sistemas moleculares e estudar novas funções do dispositivo, "Tao diz.

Tao é o diretor do Centro de Biodesign para Bioeletrônica e Biossensores. Em pesquisas publicadas no jornal Materiais da Natureza , Tao e colegas do Japão, A China e o Reino Unido esboçam experimentos nos quais uma única molécula orgânica é suspensa entre um par de eletrodos enquanto uma corrente passa pela minúscula estrutura.

Os pesquisadores exploram as propriedades de transporte de carga através das moléculas. Eles demonstraram que uma propriedade semelhante a uma onda fantasmagórica dos elétrons - conhecida como interferência quântica - pode ser modulada com precisão em duas configurações diferentes da molécula, conhecido como Para e Meta.

Acontece que os efeitos de interferência quântica podem causar variação substancial nas propriedades de condutância de dispositivos em escala molecular. Ao controlar a interferência quântica, o grupo mostrou que a condutância elétrica de uma única molécula pode ser ajustada em duas ordens de magnitude. O controle preciso e contínuo da interferência quântica é visto como um ingrediente-chave no desenvolvimento futuro de eletrônica em ampla escala molecular, operando em alta velocidade e baixa potência.

Esses dispositivos de molécula única podem atuar potencialmente como transistores, fios, retificadores, interruptores ou portas lógicas e podem encontrar seu caminho em aplicações futurísticas, incluindo dispositivos de interferência quântica supercondutores (SQUID), criptografia quântica, e computação quântica.

Para o estudo atual, as moléculas - hidrocarbonetos em forma de anel que podem aparecer em diferentes configurações - foram usadas, pois estão entre os candidatos mais simples e versáteis para modelar o comportamento da eletrônica molecular e são ideais para observar os efeitos da interferência quântica em nanoescala.

A fim de investigar como a carga se move através de uma única molécula, as chamadas medições de quebra de junção foram feitas. Os testes envolvem o uso de um microscópio de tunelamento de varredura ou STM. A molécula em estudo está posicionada entre um substrato de ouro e a ponta de ouro do dispositivo STM. A ponta do STM é repetidamente colocada e fora de contato com a molécula, quebrar e reformar a junção enquanto a corrente passa por cada terminal.

Milhares de traços de condutância versus distância foram registrados, com as propriedades moleculares particulares das duas moléculas usadas para os experimentos que alteram o fluxo de elétrons através da junção. As moléculas na configuração 'Para' apresentaram valores de condutância mais elevados do que as moléculas da forma 'Meta', indicando interferência quântica construtiva vs destrutiva nas moléculas.

Usando uma técnica conhecida como gating eletroquímico, os pesquisadores foram capazes de controlar continuamente a condutância em duas ordens de magnitude. No passado, alterar as propriedades de interferência quântica exigiu modificações na molécula de transporte de carga usada para o dispositivo. O estudo atual marca a primeira ocasião de regulação da condutância em uma única molécula.

Como observam os autores, a condutância na escala molecular é afetada sensivelmente pela interferência quântica envolvendo os orbitais de elétrons da molécula. Especificamente, a interferência entre o orbital molecular mais ocupado ou HOMO e o orbital molecular mais baixo não ocupado ou LUMO parece ser o determinante dominante da condutância em moléculas individuais. Usando uma tensão de porta eletroquímica, a interferência quântica nas moléculas pode ser delicadamente ajustada.

Os pesquisadores foram capazes de demonstrar uma boa concordância entre cálculos teóricos e resultados experimentais, indicando que as contribuições HOMO e LUMO para a condutância foram aditivas para as moléculas de Para, resultando em interferência construtiva, e subtrativo para Meta, levando a interferência destrutiva, tanto quanto as ondas na água podem se combinar para formar uma onda maior ou se anularem, dependendo de sua fase.

Embora cálculos teóricos anteriores de transporte de carga através de moléculas individuais tenham sido realizados, a verificação experimental teve que esperar por uma série de avanços na nanotecnologia, microscopia de varredura de sonda, e métodos para formar conexões eletricamente funcionais de moléculas a superfícies metálicas. Agora, com a capacidade de alterar sutilmente a condutância por meio da manipulação da interferência quântica, o campo da eletrônica molecular está aberto a uma ampla gama de inovações.