Per molto tempo la miniaturizzazione è stata la parola magica nell'elettronica. Dr. Willi Auwaerter e Professor Johannes Barth, insieme al loro team di fisici presso la Technische Universitaet Muenchen (TUM), hanno ora presentato un nuovo interruttore molecolare sulla rivista Nanotecnologia della natura . Decisiva per la funzionalità dell'interruttore è la posizione di un singolo protone in un anello di porfirina con un diametro interno inferiore a mezzo nanometro. I fisici possono impostare quattro stati distinti su richiesta.

Le porfine sono molecole a forma di anello che possono modificare in modo flessibile la loro struttura, rendendoli utili per una vasta gamma di applicazioni. La tetrafenilporfirina non fa eccezione:ama assumere una forma a sella e non si limita nella sua funzionalità quando è ancorata a una superficie metallica. La molecola contiene una coppia di atomi di idrogeno che possono cambiare le loro posizioni tra due configurazioni ciascuno. A temperatura ambiente questo processo avviene continuamente ad un ritmo estremamente rapido.

Nel loro esperimento, gli scienziati hanno soppresso questo movimento spontaneo raffreddando il campione. Ciò ha permesso loro di indurre e osservare l'intero processo in una singola molecola utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel. Questo tipo di microscopio è particolarmente adatto allo scopo poiché, a differenza di altri metodi, può essere utilizzato non solo per determinare gli stati iniziale e finale, ma permette anche ai fisici di controllare direttamente gli atomi di idrogeno. In una fase successiva hanno rimosso uno dei due protoni dall'interno dell'anello di porfirina. Il protone rimanente potrebbe ora assumere una delle quattro posizioni. Una minuscola corrente che scorre attraverso la punta sottile del microscopio stimola il trasferimento di protoni, l'impostazione di una configurazione specifica nel processo.

Sebbene le rispettive posizioni degli atomi di idrogeno non influenzino né la struttura di base della molecola né il suo legame alla superficie metallica, gli stati non sono identici. Questa piccola ma significativa differenza, insieme al fatto che il processo può essere arbitrariamente ripetuto, costituisce la base di un interruttore il cui stato può essere modificato fino a 500 volte al secondo. Un singolo elettrone tunnellizzato avvia il trasferimento del protone.

L'interruttore molecolare ha una superficie di un solo nanometro quadrato, rendendolo l'interruttore più piccolo implementato fino ad oggi. I fisici sono entusiasti della loro dimostrazione e sono anche molto contenti delle nuove intuizioni sul meccanismo alla base del trasferimento di protoni risultanti dal loro studio. Knud Seufert ha giocato un ruolo chiave con i suoi esperimenti:"Azionare un interruttore a quattro stati spostando un singolo protone all'interno di una molecola è davvero affascinante e rappresenta un vero passo avanti nelle tecnologie su nanoscala".