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  • A interferência quântica pode levar a transistores menores, mais rápidos e com maior eficiência energética

    Como a distância fonte-dreno, d , de um transistor se aproxima da escala nanométrica, transmissão mediada por tunelamento quântico (ζ ) através da barreira de energia potencial que cria um estado desligado aumenta exponencialmente, levando a uma alta corrente de fuga e degradando a oscilação sublimiar do dispositivo (S s-th ). O vazamento fonte-dreno torna-se cada vez mais problemático em escala molecular (<5 nm), a menos que a interferência entre dois canais de condução coerentes atue para suprimir a transmissão. Crédito:Nanotecnologia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01633-1


    Uma equipe internacional de pesquisadores da Queen Mary University of London, da University of Oxford, da Lancaster University e da University of Waterloo desenvolveu um novo transistor de molécula única que usa interferência quântica para controlar o fluxo de elétrons. O transistor, descrito em um artigo publicado na Nature Nanotechnology , abre novas possibilidades para o uso de efeitos quânticos em dispositivos eletrônicos.



    Os transistores são os blocos básicos de construção da eletrônica moderna. Eles são usados ​​para amplificar e comutar sinais elétricos e são essenciais para tudo, desde smartphones até naves espaciais. No entanto, o método tradicional de fabricação de transistores, que envolve a gravação de silício em minúsculos canais, está atingindo seus limites.

    À medida que os transistores ficam menores, eles se tornam cada vez mais ineficientes e suscetíveis a erros, pois os elétrons podem vazar através do dispositivo mesmo quando ele deveria estar desligado, por um processo conhecido como tunelamento quântico. Os pesquisadores estão explorando novos tipos de mecanismos de comutação que podem ser usados ​​com diferentes materiais para remover esse efeito.

    Nas estruturas em nanoescala que o professor Jan Mol, o Dr. James Thomas e seu grupo estudam na Escola de Ciências Físicas e Químicas de Queen Mary, os efeitos da mecânica quântica dominam e os elétrons se comportam como ondas em vez de partículas. Aproveitando esses efeitos quânticos, os pesquisadores construíram um novo transistor.

    O canal condutor do transistor é uma única porfirina de zinco, uma molécula que pode conduzir eletricidade. A porfirina é imprensada entre dois eletrodos de grafeno e, quando uma voltagem é aplicada aos eletrodos, o fluxo de elétrons através da molécula pode ser controlado usando interferência quântica.

    A interferência é um fenômeno que ocorre quando duas ondas interagem entre si e se cancelam (interferência destrutiva) ou se reforçam (interferência construtiva). No caso do novo transistor, os pesquisadores ligaram e desligaram o transistor controlando se os elétrons interferem construtivamente (ligados) ou destrutivamente (desligados) à medida que fluem através da molécula de zinco porfirina.

    Os pesquisadores descobriram que o novo transistor tem uma relação liga/desliga muito alta, o que significa que ele pode ser ligado e desligado com muita precisão. A interferência quântica destrutiva desempenha um papel crucial nisso, eliminando o fluxo de elétrons com vazamento do tunelamento quântico através do transistor quando ele deveria estar desligado.

    Eles também descobriram que o transistor é muito estável. Os transistores anteriores feitos de uma única molécula só conseguiram demonstrar alguns ciclos de comutação. No entanto, este dispositivo pode ser operado por centenas de milhares de ciclos sem quebrar.

    "A interferência quântica é um fenômeno poderoso que tem potencial para ser usado em uma ampla variedade de aplicações eletrônicas", disse o autor principal, Dr. James Thomas, professor de tecnologias quânticas no Queen Mary. "Acreditamos que nosso trabalho é um passo significativo para concretizar esse potencial."

    "Nossos resultados mostram que a interferência quântica pode ser usada para controlar o fluxo de elétrons em transistores e que isso pode ser feito de uma forma eficiente e confiável", disse o co-autor Professor Jan Mol. "Isso poderia levar ao desenvolvimento de novos tipos de transistores que são menores, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos do que os dispositivos atuais."

    Os pesquisadores também descobriram que os efeitos da interferência quântica poderiam ser usados ​​para melhorar a oscilação subliminar do transistor, que é uma medida de quão sensível o transistor é às mudanças na tensão da porta. Quanto menor a oscilação do sublimiar, mais eficiente é o transistor.

    Os transistores dos pesquisadores tiveram uma oscilação subliminar de 140 mV/dec, que é melhor do que as oscilações subliminares relatadas para outros transistores de molécula única e comparável a dispositivos maiores feitos de materiais como nanotubos de carbono.

    A pesquisa ainda está em fase inicial, mas os pesquisadores estão otimistas de que o novo transistor poderá ser usado para criar uma nova geração de dispositivos eletrônicos. Esses dispositivos podem ser usados ​​em diversas aplicações, desde computadores e smartphones até dispositivos médicos.

    Mais informações: Zhixin Chen et al, Interferência quântica melhora o desempenho de transistores de molécula única, Nanotecnologia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01633-1
    Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

    Fornecido por Queen Mary, Universidade de Londres



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