Transistores cada vez menores são a chave para um processamento de computador mais rápido e eficiente. Desde a década de 1970, Os avanços na eletrônica foram em grande parte impulsionados pelo ritmo constante com que esses minúsculos componentes tornaram-se simultaneamente menores e mais poderosos - até suas dimensões atuais na escala nanométrica. Mas, nos últimos anos, vimos esse patamar de progresso, enquanto os pesquisadores lutam para saber se os transistores finalmente atingiram seu limite de tamanho. No topo da lista de obstáculos que estão no caminho de uma maior miniaturização:problemas causados ​​por "corrente de fuga".

A corrente de fuga ocorre quando a lacuna entre dois eletrodos de metal se estreita a ponto de os elétrons não serem mais contidos por suas barreiras, um fenômeno conhecido como tunelamento mecânico quântico. À medida que a lacuna continua a diminuir, esta condução de tunelamento aumenta a uma taxa exponencialmente maior, tornando a miniaturização ainda mais desafiadora. O consenso científico há muito afirma que as barreiras de vácuo representam o meio mais eficaz para reduzir a construção de túneis, tornando-os a melhor opção geral para transistores isolantes. Contudo, mesmo as barreiras de vácuo podem permitir algum vazamento devido ao tunelamento quântico.

Em uma colaboração altamente interdisciplinar, pesquisadores da Columbia Engineering, Departamento de Química da Universidade de Columbia, Universidade Normal de Xangai, e a Universidade de Copenhagen derrubou a sabedoria convencional, sintetizar a primeira molécula capaz de isolar em escala nanométrica de forma mais eficaz do que uma barreira de vácuo. Suas descobertas são publicadas online hoje em Natureza .

"Chegamos ao ponto em que é fundamental para os pesquisadores desenvolver soluções criativas para redesenhar isoladores. Nossa estratégia molecular representa um novo princípio de design para dispositivos clássicos, com potencial para apoiar a miniaturização contínua no curto prazo, "disse o físico e co-autor da Columbia Engineering Latha Venkataraman, que chefia o laboratório onde o pesquisador Haixing Li conduziu o trabalho experimental do projeto. A síntese molecular foi realizada no Colin Nuckolls Lab no Departamento de Química de Columbia, em parceria com Shengxiong Xiao na Shanghai Normal University.

A ideia da equipe era explorar a natureza ondulatória dos elétrons. Ao projetar uma molécula à base de silício extremamente rígida com menos de 1 nm de comprimento que exibia assinaturas de interferência destrutiva abrangentes, eles desenvolveram uma nova técnica para bloquear a condução de tunelamento em nanoescala.

"Esta abordagem baseada em interferência quântica define um novo padrão para moléculas isolantes curtas, "disse o autor principal Marc Garner, um químico no Laboratório Solomon da Universidade de Copenhagen, que tratou do trabalho teórico. "Teoricamente, interferência pode levar ao cancelamento completo da probabilidade de tunelamento, e mostramos que o componente isolante em nossa molécula é menos condutor do que uma lacuna de vácuo de mesmas dimensões. Ao mesmo tempo, nosso trabalho também melhora a pesquisa recente em sistemas baseados em carbono, que foram considerados os melhores isolantes moleculares até agora. "

A interferência quântica destrutiva ocorre quando os picos e vales de duas ondas são colocados exatamente fora de fase, oscilação de anulação. As ondas eletrônicas podem ser consideradas análogas às ondas sonoras - fluindo através de barreiras assim como as ondas sonoras "vazam" pelas paredes. As propriedades exclusivas exibidas pela molécula sintética da equipe atenuaram o tunelamento sem exigir, nesta analogia, uma parede mais espessa.

Sua estratégia baseada em silício também apresenta uma solução potencialmente mais pronta para a fábrica. Embora pesquisas recentes em nanotubos de carbono sejam promissoras para aplicações industriais na próxima década ou mais, este isolador - compatível com os padrões atuais da indústria - poderia ser implementado mais prontamente.

"Parabéns à equipe por esta descoberta, "disse Mark Ratner, um pioneiro no campo da eletrônica molecular e professor emérito da Northwestern University que não esteve envolvido no estudo. "O uso de interferência para criar um isolante foi ignorado até hoje. Este documento demonstra a capacidade de interferência, em um sistema sigma baseado em silício, o que é bastante impressionante. "

Esta descoberta surgiu de um projeto maior da equipe em eletrônica de moléculas à base de silício, começou em 2010. O grupo chegou à sua última descoberta contrariando a tendência. A maioria das pesquisas neste campo visa criar moléculas altamente condutoras, já que a baixa condutância raramente é considerada uma propriedade desejável na eletrônica. No entanto, os componentes de isolamento podem realmente provar ser de maior valor para a otimização futura de transistores, devido às ineficiências de energia inerentes causadas por correntes de fuga em dispositivos menores.

Como resultado, seu trabalho rendeu uma nova compreensão dos mecanismos fundamentais subjacentes de condução e isolamento em dispositivos em escala molecular. Os pesquisadores irão desenvolver esta visão esclarecendo a seguir os detalhes das relações estrutura-função em componentes moleculares baseados em silício.

“Este trabalho tem sido extremamente gratificante para nós, porque no decorrer dele, descobrimos repetidamente novos fenômenos, "disse Venkataraman." Nós mostramos anteriormente que os fios moleculares de silício podem funcionar como interruptores, e agora demonstramos que, ao alterar sua estrutura, podemos criar isolantes. Há muito a ser aprendido nesta área que ajudará a moldar o futuro da eletrônica em nanoescala. "

O estudo é intitulado "Supressão abrangente de condutância de molécula única usando interferência sigma destrutiva."