Notando i sorprendenti progressi nella tecnologia dei semiconduttori, Il co-fondatore di Intel Gordon Moore ha proposto che il numero di transistor su un chip raddoppierà ogni anno, un'osservazione che è stata confermata da quando ha fatto la richiesta nel 1965. Tuttavia, è improbabile che Moore potesse prevedere la portata della rivoluzione elettronica attualmente in corso.

Oggi, una nuova generazione di dispositivi, con proprietà uniche, viene sviluppato. Mentre l'ultra-miniaturizzazione continua a ritmo sostenuto, i ricercatori hanno iniziato a esplorare l'intersezione tra proprietà fisiche e chimiche che si verificano su scala molecolare.

I progressi in questo dominio dal ritmo serrato potrebbero migliorare i dispositivi per l'archiviazione dei dati e l'elaborazione delle informazioni e aiutare nello sviluppo di interruttori molecolari, tra le altre novità.

Nongjian "NJ" Tao ei suoi collaboratori hanno recentemente descritto una serie di studi sulla conduttanza elettrica attraverso singole molecole. Creare elettronica a questa scala infinitesimale presenta molte sfide. Nel mondo dell'ultra-piccolo, prevalgono le proprietà peculiari del mondo quantistico. Qui, gli elettroni che scorrono come corrente si comportano come onde e sono soggetti a un fenomeno noto come interferenza quantistica. La capacità di manipolare questo fenomeno quantistico potrebbe aiutare ad aprire la porta a nuovi dispositivi nanoelettronici con proprietà insolite.

"Siamo interessati non solo a misurare i fenomeni quantistici in singole molecole, ma anche controllarli. Questo ci permette di comprendere il trasporto di carica di base nei sistemi molecolari e studiare nuove funzioni del dispositivo, " dice Tao.

Tao è il direttore del Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. Nella ricerca che appare sulla rivista Materiali della natura , Tao e colleghi dal Giappone, La Cina e il Regno Unito delineano esperimenti in cui una singola molecola organica è sospesa tra una coppia di elettrodi mentre una corrente passa attraverso la minuscola struttura.

I ricercatori esplorano le proprietà di trasporto di carica attraverso le molecole. Hanno dimostrato che una proprietà ondulatoria spettrale degli elettroni, nota come interferenza quantistica, può essere modulata con precisione in due diverse configurazioni della molecola, noto come Para e Meta.

Si scopre che gli effetti di interferenza quantistica possono causare variazioni sostanziali nelle proprietà di conduttanza dei dispositivi su scala molecolare. Controllando l'interferenza quantistica, il gruppo ha mostrato che la conduttanza elettrica di una singola molecola può essere regolata con precisione su due ordini di grandezza. Il controllo preciso e continuo dell'interferenza quantistica è visto come un ingrediente chiave nel futuro sviluppo dell'elettronica su vasta scala molecolare, operando ad alta velocità e bassa potenza.

Tali dispositivi a singola molecola potrebbero potenzialmente fungere da transistor, fili, raddrizzatori, interruttori o porte logiche e possono trovare la loro strada in applicazioni futuristiche tra cui dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (SQUID), crittografia quantistica, e informatica quantistica.

Per lo studio in corso, le molecole - idrocarburi a forma di anello che possono apparire in diverse configurazioni - sono state utilizzate, in quanto sono tra i candidati più semplici e versatili per la modellazione del comportamento dell'elettronica molecolare e sono ideali per osservare gli effetti di interferenza quantistica su scala nanometrica.

Per sondare il modo in cui la carica si muove attraverso una singola molecola, sono state effettuate le cosiddette misurazioni di giunzione di rottura. I test prevedono l'uso di un microscopio a effetto tunnel o STM. La molecola in studio è in bilico tra un substrato d'oro e la punta d'oro del dispositivo STM. La punta dell'STM viene ripetutamente portata dentro e fuori il contatto con la molecola, rompere e riformare la giunzione mentre la corrente passa attraverso ciascun terminale.

Sono state registrate migliaia di tracce di conduttanza rispetto alla distanza, con le particolari proprietà molecolari delle due molecole utilizzate per gli esperimenti che alterano il flusso di elettroni attraverso la giunzione. Le molecole nella configurazione "Para" hanno mostrato valori di conduttanza più elevati rispetto alle molecole della forma "Meta", indicando interferenza quantistica costruttiva vs distruttiva nelle molecole.

Utilizzando una tecnica nota come gating elettrochimico, i ricercatori sono stati in grado di controllare continuamente la conduttanza su due ordini di grandezza. Nel passato, l'alterazione delle proprietà di interferenza quantistica ha richiesto modifiche alla molecola portatrice di carica utilizzata per il dispositivo. L'attuale studio segna la prima occasione di regolazione della conduttanza in una singola molecola.

Come notano gli autori, la conduttanza su scala molecolare è sensibilmente influenzata dall'interferenza quantistica che coinvolge gli orbitali elettronici della molecola. Nello specifico, l'interferenza tra l'orbitale molecolare più alto occupato o HOMO e l'orbitale molecolare più basso non occupato o LUMO sembra essere il determinante dominante della conduttanza nelle singole molecole. Utilizzando una tensione di gate elettrochimica, l'interferenza quantistica nelle molecole potrebbe essere regolata delicatamente.

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare un buon accordo tra calcoli teorici e risultati sperimentali, indicando che i contributi HOMO e LUMO alla conduttanza erano additivi per le molecole Para, con conseguente interferenza costruttiva, e sottrattivo per Meta, portando a interferenze distruttive, proprio come le onde nell'acqua possono combinarsi per formare un'onda più grande o annullarsi a vicenda, a seconda della loro fase.

Mentre erano stati effettuati precedenti calcoli teorici sul trasporto di carica attraverso singole molecole, la verifica sperimentale ha dovuto attendere una serie di progressi nelle nanotecnologie, microscopia a scansione di sonda, e metodi per formare connessioni elettricamente funzionali di molecole a superfici metalliche. Ora, con la capacità di alterare sottilmente la conduttanza attraverso la manipolazione dell'interferenza quantistica, il campo dell'elettronica molecolare è aperto a un'ampia gamma di innovazioni.