Molekyylielektroniikan toimintoja kvantti-interferenssillä

Koska elektroniikan miniaturisointi jatkuu vauhdilla, tutkijat ovat ryhtyneet etsimään molekyylien mitoilla esiintyvien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien leikkauspisteitä.

Arizonan osavaltion yliopiston Nongjian “NJ” Tao ja hänen yhteistyökumppaninsa esittivät hiljattain tutkimuksiaan sähköjohtavuudesta yksittäisten molekyylien parissa.

Elektroniikan luominen tällä äärettömällä mittakaavalla aiheuttaa monia haasteita sillä siellä pätevät vain kvanttimaailman erikoisominaisuudet. Tällöin elektronien vuo käyttäytyy kuin aallot ja ne altistuvat kvantti-interferenssille. Kyky manipuloida tätä kvantti-ilmiötä voisi auttaa avaamaan oven uusille nanoelektronisille laitteille, joilla on epätavalliset ominaisuudet.

”Olemme kiinnostuneita mittaamaan kvantti-ilmiöitä paitsi yksittäisissä molekyyleissä mutta myös hallitsemaan niitä. Tämä antaa meille mahdollisuuden ymmärtää varausten kuljetusta molekyylijärjestelmissä ja tutkia uusia rakennetoimintoja”, toteaa Tao.

Professori Tao sekä Japanin, Kiinan ja Yhdistyneen kuningaskunnan kollegat esittelivät kokeita, joissa yksi orgaaninen molekyyli on sijoitettu elektrodiparin välille virran kulkiessa sen rakenteen läpi.

He tutkivat molekyylien kautta kulkevien varausten siirto-ominaisuuksia. He osoittivat, että elektronien kvantti-interferenssiä voidaan moduloida tarkasti molekyylin kahdessa eri kokoonpanossa, joka tunnetaan nimillä Para ja Meta.

Ohjailemalla kvantti-interferenssiä ryhmä osoitti, että yksittäisen molekyylin sähköistä johtavuutta voidaan hienosäätää kahden suuruusluokan verran. Kvantti-interferenssin tarkkaa ja jatkuvaa hallintaa pidetään keskeisenä tekijänä laajamittaisen molekyylielektroniikan tulevassa kehityksessä.

Tällaiset yksimolekyyliset rakenteet voivat mahdollisesti toimia transistoreina, johtimina, tasasuuntaajina, kytkiminä tai logiikkaportteina ja ne voivat löytää tiensä futuristisiin sovelluksiin, mukaan lukien suprajohtavat kvantti-interferenssilaitteet, kvanttisalaus ja kvanttilaskenta.

Tässä tutkimuksessa käytettiin molekyyleinä renkaan muotoisia hiilivetyjä, jotka voivat esiintyä eri kokoonpanoissa.

Tutkimuksissa molekyyli asetettiin kulta-alustan ja STM-mikroskoopin kultakärjen väliin. STM:n kärki tuodaan toistuvasti kosketukseen ja pois molekyylin kanssa ja näin katkaisten ja uudelleen kytkemällä liitosta.

Tuhansia johtokykyarvoja ja etäisyysratoja luettiin tietyillä molekyylien ominaisuuksilla, niiden muuttaessa elektronivuota liitoksen läpi.

Para-konfiguraatiossa olevat molekyylit osoittivat korkeampia johtokykyarvoja kuin Meta-muodon molekyylit, mikä osoittaa konstruktiivista ja toisaalta tuhoavaa kvantti-interferenssiä molekyyleissä.

Erityisen sähkökemiallisen porttitekniikan avulla tutkijat pystyivät jatkuvasti hallitsemaan johtokykyä kahden suuruusluokan verran. Aiemmin kvantti-interferenssiominaisuuksien muuttaminen vaati muutoksia itse molekyyliin. Nykyinen tutkimus merkitsee ensimmäistä kertaa johtavuuden säätelyä yksittäisessä molekyylissä.

Aiheesta aiemmin:

Ympäristö muuttaa molekyylin kytkimeksi

Kvantti-interferenssi voi olla avain pienempiin eristeväleihin