p Uma equipe internacional de físicos usou um microscópio de tunelamento para criar um transistor minúsculo que consiste em uma única molécula e um pequeno número de átomos. A ação do transistor observada é marcadamente diferente do comportamento convencionalmente esperado e pode ser importante para futuras tecnologias de dispositivos, bem como para estudos fundamentais de transporte de elétrons em nanoestruturas moleculares. Os físicos representam o Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) e a Freie Universität Berlin (FUB), Alemanha, os Laboratórios de Pesquisa Básica da NTT (NTT-BRL), Japão, e o Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL). Suas descobertas completas foram publicadas na edição de 13 de julho de 2015 da revista. Física da Natureza . p Os transistores têm uma região de canal entre dois contatos externos e um eletrodo de porta elétrica para modular o fluxo de corrente através do canal. Em transistores de escala atômica, esta corrente é extremamente sensível a um único elétron saltando por meio de níveis de energia discretos. Em estudos anteriores, pesquisadores examinaram o transporte de um único elétron em transistores moleculares usando abordagens de cima para baixo, como litografia e junções de quebra. Mas o controle atomicamente preciso do portão - que é crucial para a ação do transistor nas menores escalas de tamanho - não é possível com essas abordagens.

p A equipe usou um microscópio de tunelamento de varredura (STM) altamente estável para criar um transistor que consiste em uma única molécula orgânica e átomos de metal carregados positivamente, posicionando-os com a ponta STM na superfície de um cristal de arseneto de índio (InAs). Dr. Kiyoshi Kanisawa, um físico da NTT-BRL, usou a técnica de crescimento de epitaxia de feixe molecular para preparar esta superfície. Subseqüentemente, a abordagem STM permitiu aos pesquisadores montar portas elétricas a partir dos átomos carregados +1 com precisão atômica e, em seguida, colocar a molécula em várias posições desejadas perto das portas. Dr. Stefan Fölsch, um físico do PDI que liderou a equipe, explicou que "a molécula está apenas fracamente ligada ao modelo InAs. Então, quando trazemos a ponta STM muito perto da molécula e aplicamos uma tensão de polarização à junção ponta-amostra, um único elétron pode criar um túnel entre o molde e a ponta, saltando por meio de orbitais moleculares quase imperturbáveis, semelhante ao princípio de funcionamento de um ponto quântico bloqueado por um eletrodo externo. No nosso caso, os átomos carregados próximos fornecem o potencial de porta eletrostática que regula o fluxo de elétrons e o estado de carga da molécula. "

p Mas há uma diferença substancial entre um ponto quântico semicondutor convencional - compreendendo normalmente centenas ou milhares de átomos - e o caso presente de uma molécula ligada à superfície. Dr. Steven Erwin, um físico do Center for Computational Materials Science em NRL e especialista em teoria do funcional da densidade, apontou que, "a molécula adota diferentes orientações rotacionais, dependendo de seu estado de carga. Previmos isso com base em cálculos de primeiros princípios e o confirmamos por imagens da molécula com o STM. "

p Este acoplamento entre carga e orientação tem um efeito dramático no fluxo de elétrons através da molécula, manifestado por uma grande lacuna de condutância em baixas tensões de polarização. Dr. Piet Brouwer, um físico da FUB e especialista em teoria de transporte quântico, disse, "Este comportamento intrigante vai além da imagem estabelecida de transporte de carga através de um ponto quântico fechado. Em vez disso, desenvolvemos um modelo genérico que leva em conta as dinâmicas eletrônicas e orientacionais acopladas da molécula. "Este modelo simples e fisicamente transparente reproduz inteiramente as características do transistor de molécula única observadas experimentalmente.

p A perfeição e reprodutibilidade oferecidas por esses transistores gerados por STM permitirão aos pesquisadores explorar processos elementares que envolvem o fluxo de corrente através de moléculas individuais em um nível fundamental. Compreender e controlar esses processos - e os novos tipos de comportamento aos quais eles podem levar - será importante para integrar dispositivos baseados em moléculas com tecnologias de semicondutores existentes.