Visualizzazione su scala atomica delle singole giunzioni molecolari formate con due percorsi equivalenti (a sinistra) e un percorso (a destra), compreso l'incollaggio alle punte di due elettrodi d'oro e uno schema del circuito elettrico esterno.
(Phys.org)—In un articolo pubblicato su Nanontecnologia della natura il 2 settembre, 2012, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del DOE e dei dipartimenti di chimica e fisica applicata della Columbia University esplorano le leggi che governano la conduttanza elettronica nei circuiti su scala molecolare.
"Chiunque abbia lavorato con i circuiti elettronici di base sa che ci sono alcune semplici regole della strada, come la legge di Ohm, " spiega il collaboratore Mark Hybertsen, un fisico presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven. Hybertsen ha fornito la teoria per modellare il comportamento del circuito osservato con gli strumenti di calcolo del CFN. "Per diversi anni abbiamo posto domande fondamentali per sondare come queste regole potrebbero essere diverse se il circuito elettronico viene ridotto alla scala di una singola molecola".
La conduttanza misura il grado in cui un circuito conduce elettricità. In un semplice circuito, se colleghi le resistenze in parallelo, gli elettroni possono fluire attraverso due percorsi diversi. In questo caso, la conduttanza dell'intero circuito sarà semplicemente la somma della conduttanza di ciascun resistore.
Però, in un circuito molecolare, le regole che governano il flusso di corrente ora coinvolgono la meccanica quantistica fondamentale. Nella maggior parte dei circuiti a singola molecola, le molecole non si comportano come resistori convenzionali; Invece, gli elettroni attraversano la molecola. Quando la molecola offre due vie in parallelo, il movimento ondulatorio di un elettrone può cambiare drasticamente il modo in cui la conduttanza si somma. Per molti anni, gli esperti di nanotecnologia hanno sospettato, ma non dimostrato, che gli effetti di interferenza quantistica rendano la conduttanza di un circuito con due percorsi fino a quattro volte superiore alla conduttanza di un circuito con un singolo percorso.
Per studiare ulteriormente questi effetti della meccanica quantistica, gli scienziati avevano bisogno di costruire i propri circuiti controllabili di dimensioni nanometriche. Lavorando con il gruppo di Ronald Breslow alla Columbia, hanno progettato e sintetizzato una serie di molecole da utilizzare nell'esperimento.
"Realizzare in modo affidabile un circuito da una singola molecola è davvero impegnativo, "dice Latha Venkataraman, un professore di fisica applicata della Columbia Engineering il cui gruppo ha perfezionato il metodo utilizzato per realizzare i circuiti molecolari. "Immaginate di provare a toccare le due estremità di una molecola lunga solo dieci atomi".
Per realizzare i circuiti, Il gruppo di Venkataraman ha adattato un apparato di microscopio a effetto tunnel (STM) per premere ripetutamente una punta d'oro affilata in un altro elettrodo d'oro e poi tirarlo via. Quando questo incrocio si rompe, c'è un momento in cui lo spazio tra i due pezzi d'oro è perfetto per la molecola. Una volta che il sistema di circuito è impostato, la misurazione della conduttanza è veloce e può essere ripetuta migliaia di volte per ottenere dati statisticamente affidabili.
Utilizzando questo approccio, gli scienziati hanno scoperto che le molecole con due percorsi integrati come quello visualizzato nella figura a destra avevano una conduttanza maggiore della somma della conduttanza di ciascun braccio, anche se l'aumento non è stato così grande come avevano previsto. Per comprendere meglio questo effetto, Hector Vasquez della Columbia ha lavorato con Hybertsen per simulare computazionalmente la trasmissione quantomeccanica di un elettrone attraverso ciascun circuito.
"Sia le misurazioni che le simulazioni mostrano che le molecole con due percorsi paralleli possono avere una conduttanza maggiore di due volte quella delle molecole con un solo percorso, " ha detto Hybertsen. "Questa è la firma che l'effetto di interferenza quantistica sta giocando un ruolo."
Il gruppo sospetta che altri fattori, come la natura del legame della molecola agli elettrodi, devono essere considerati quando si calcola la conduttanza di un circuito molecolare. Attualmente stanno esaminando altre questioni centrali sull'elettronica molecolare, compreso il modo in cui il dispositivo cambia quando vengono utilizzati metalli diversi.
