Pesquisadores, liderado pelo professor de engenharia da Columbia Latha Venkataraman, relatam hoje que descobriram um novo princípio de design químico para explorar a interferência quântica destrutiva. Eles usaram sua abordagem para criar um switch de uma única molécula de seis nanômetros, onde a corrente no estado é superior a 10, 000 vezes maior do que a corrente no estado desligado - a maior mudança na corrente alcançada em um circuito de uma única molécula até hoje.

Esta nova opção depende de um tipo de interferência quântica que não tem, até agora, foi explorado. Os pesquisadores usaram moléculas longas com uma unidade central especial para aumentar a interferência quântica destrutiva entre os diferentes níveis de energia eletrônica. Eles demonstraram que sua abordagem pode ser usada para produzir interruptores de molécula única muito estáveis ​​e reproduzíveis em temperatura ambiente que podem transportar correntes superiores a 0,1 microamperes no estado ligado. O comprimento da chave é semelhante ao tamanho dos menores chips de computador atualmente no mercado e suas propriedades se aproximam das das chaves comerciais. O estudo é publicado hoje em Nature Nanotechnology .

"Observamos o transporte através de um fio molecular de seis nanômetros, o que é notável, uma vez que o transporte através de escalas tão longas raramente é observado, "disse Venkataraman, Lawrence Gussman Professor de Física Aplicada, professor de química, e vice-reitor para assuntos do corpo docente. "Na verdade, esta é a molécula mais longa que já medimos em nosso laboratório. "

Nos últimos 45 anos, diminuições constantes no tamanho do transistor permitiram melhorias dramáticas no processamento do computador e tamanhos de dispositivos cada vez menores. Os smartphones de hoje contêm centenas de milhões de transistores feitos de silício. Contudo, os métodos atuais de fabricação de transistores estão se aproximando rapidamente dos limites de tamanho e desempenho do silício. Então, se o processamento do computador deve avançar, os pesquisadores precisam desenvolver mecanismos de comutação que possam ser usados ​​com novos materiais.

Venkataraman está na vanguarda da eletrônica molecular. Seu laboratório mede propriedades fundamentais de dispositivos de molécula única, buscando entender a interação da física, química, e engenharia em escala nanométrica. Ela está particularmente interessada em obter uma compreensão mais profunda da física fundamental do transporte de elétrons, enquanto estabelece as bases para avanços tecnológicos.

Na escala nanométrica, os elétrons se comportam como ondas em vez de partículas e o transporte de elétrons ocorre via tunelamento. Como ondas na superfície da água, ondas de elétrons podem interferir construtivamente ou interferir destrutivamente. Isso resulta em processos não lineares. Por exemplo, se duas ondas interferem construtivamente, a amplitude (ou altura) da onda resultante é mais do que a soma das duas ondas independentes. Duas ondas podem ser completamente canceladas com interferência destrutiva.

"O fato de que os elétrons se comportam como ondas é a essência da mecânica quântica, "Venkataraman observou.

Na escala molecular, efeitos da mecânica quântica dominam o transporte de elétrons. Os pesquisadores previram há muito tempo que os efeitos não lineares produzidos pela interferência quântica deveriam permitir comutadores de molécula única com grandes relações liga / desliga. Se eles pudessem aproveitar as propriedades da mecânica quântica das moléculas para fazer elementos de circuito, eles poderiam habilitar mais rápido, menor, e dispositivos com maior eficiência energética, incluindo interruptores.

"Fazer transistores a partir de moléculas individuais representa o limite final em termos de miniaturização e tem o potencial de permitir um processamento exponencialmente mais rápido enquanto diminui o consumo de energia, "disse Venkataraman." Fazer dispositivos de uma única molécula que sejam estáveis ​​e capazes de sustentar ciclos de comutação repetidos não é uma tarefa trivial. Nossos resultados abrem caminho para a fabricação de transistores de molécula única. "

Uma analogia comum é pensar nos transistores como uma válvula em um tubo. Quando a válvula está aberta, a água flui pelo tubo. Quando está fechado, a água está bloqueada. Em transistores, o fluxo de água é substituído pelo fluxo de elétrons, ou atual. No estado, fluxos atuais. No estado desligado, a corrente está bloqueada. Idealmente, a quantidade de corrente que flui nos estados ligado e desligado deve ser muito diferente; de outra forma, o transistor é como um tubo com vazamento, onde é difícil dizer se a válvula está aberta ou fechada. Uma vez que os transistores funcionam como interruptores, uma primeira etapa no projeto de transistores moleculares é projetar sistemas onde você pode alternar o fluxo de corrente entre um estado ligado e desligado. A maioria dos designs anteriores, Contudo, criaram transistores com vazamento usando moléculas curtas onde a diferença entre o estado ligado e desligado não era significativa.

Para superar isso, Venkataraman e sua equipe enfrentaram vários obstáculos. Seu principal desafio era usar princípios de design químico para criar circuitos moleculares onde os efeitos de interferência quântica pudessem suprimir fortemente a corrente no estado desligado, mitigando assim os problemas de vazamento.

"É difícil desligar completamente o fluxo de corrente em moléculas curtas devido à maior probabilidade de tunelamento mecânico quântico em escalas de comprimento mais curtas", explicou a autora principal do estudo, Julia Greenwald, um Ph.D. estudante no laboratório de Venkataraman. "O inverso é verdadeiro para moléculas longas, onde muitas vezes é difícil alcançar altas correntes no estado porque a probabilidade de tunelamento diminui com o comprimento. Os circuitos que projetamos são únicos por causa de seu comprimento e sua grande relação liga / desliga; agora somos capazes de alcançar uma alta corrente no estado ligado e uma muito baixa corrente no estado desligado. "

A equipe de Venkataraman criou seus dispositivos usando longas moléculas sintetizadas pelo colaborador Peter Skabara, Cadeira Ramsay de Química, e seu grupo na Universidade de Glasgow. Moléculas longas são fáceis de capturar entre os contatos de metal para criar circuitos de uma única molécula. Os circuitos são muito estáveis ​​e podem sustentar repetidamente altas tensões aplicadas (excedendo 1,5 V). A estrutura eletrônica das moléculas aumenta os efeitos de interferência, permitindo uma pronunciada não linearidade na corrente em função da tensão aplicada, o que leva a uma grande proporção da corrente no estado ligado para a corrente no estado desligado.

Os pesquisadores continuam a trabalhar com a equipe da Universidade de Glasgow para ver se sua abordagem de design pode ser aplicada a outras moléculas, e desenvolver um sistema onde o switch pode ser acionado por um estímulo externo.

"Nossa construção de uma mudança a partir de uma única molécula é um passo muito empolgante em direção ao design de materiais de baixo para cima usando blocos de construção moleculares, "Greenwald disse." Construir dispositivos eletrônicos com moléculas únicas atuando como componentes do circuito seria verdadeiramente transformador. "

O estudo é intitulado "Transporte altamente não linear através de junções de uma única molécula via interferência quântica destrutiva."