(Phys.org)—L'elettronica del futuro potrebbe usare le molecole per fare i loro calcoli. Le minuscole particelle potrebbero quindi assumere i compiti che attualmente sono svolti dai transistor al silicio, Per esempio. I ricercatori dell'Istituto Fritz Haber della Max Planck Society di Berlino hanno utilizzato un nanofilo che potrebbe potenzialmente condurre corrente tra transistor molecolari o componenti diversi. La minuscola pista conduttrice è costituita da una stretta banda di grafene, cioè una striscia di un singolo strato di carbonio. Il passo successivo è stato quello di utilizzare un microscopio a effetto tunnel per eseguire misurazioni complicate per determinare in che modo la conduttanza della striscia di carbonio dipende dalla sua lunghezza e dall'energia degli elettroni. Hanno così imparato di più su come la carica sotto forma di elettroni viene trasportata attraverso il nanofilo e su come le piste conduttrici possono essere migliorate per potenziali applicazioni nella nanoelettronica.

Un filo difficilmente può essere più sottile. Ma le dimensioni record dei fili di grafene non offrono solo nuove opportunità, mettono anche di fronte a sfide i fisici. Leonhard Grill e i suoi colleghi del Fritz Haber Institute di Berlino della Max Planck Society hanno ora affrontato queste sfide. Hanno iniziato producendo un sottile nastro di grafene, il suo design basato sul proprio lavoro e su quello degli altri. in primo luogo, hanno vaporizzato frammenti molecolari di strisce di grafene su una superficie. Le molecole erano dotate di legami chimici in modo che inizialmente si combinassero in una lunga catena e infine formassero un piatto, nastro rigido.

È necessario un tocco delicato per misurare la conduttanza dei nanofili

Poi i ricercatori del gruppo di Leonhard Grill hanno iniziato il loro vero progetto:hanno misurato la conduttanza di un singolo nanofilo in funzione della sua lunghezza. "Questo ci consente di scoprire come funziona il trasporto di carica nel nanofilo di grafene, " spiega Leonhard Grill. Questo approccio consente principalmente ai ricercatori di scoprire se il loro nanofilo è un conduttore perfetto la cui conduttanza non varia con la lunghezza, come nel caso di un nanofilo metallico. I ricercatori hanno ottenuto le loro scoperte in un esperimento complicato:hanno determinato il flusso di corrente attraverso un singolo nastro di grafene, che collegava la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel con una superficie dorata, a diverse tensioni, cioè le energie degli elettroni, e a distanze diverse.

Ciò significava che inizialmente dovevano sollevare il nanofilo dalla superficie. È come sollevare un pezzo di carta con un dito bagnato, tranne che sollevare il nanofilo richiede un tocco infinitamente più delicato. "Il filo ricade facilmente, in particolare a tensioni più elevate tra la punta e la superficie dell'oro, " spiega Matthias Koch, che ha condotto gli esperimenti come parte del suo lavoro di dottorato. "Anche se ora abbiamo alcuni trucchi per tenere in mano i nastri di grafene con la punta, abbiamo ancora bisogno di molti tentativi".

Il bordo della striscia di grafene influisce sul trasporto di carica

Le misurazioni hanno mostrato che la corrente attraverso il filo di grafene non scorreva con una resistenza relativamente bassa come avviene attraverso un filo di rame. Anzi, gli elettroni scorrevano attraverso il filo per mezzo di un processo quantomeccanico:vi passavano attraverso un tunnel. Solo le particelle quantistiche possono scavare tunnel, e lo fanno sempre quando oppone resistenza una barriera che non potrebbero superare secondo le leggi della fisica classica. Tuttavia, le particelle attraversano la barriera solo per le loro proprietà quantistiche. Maggiore è la distanza che gli elettroni devono superare, meno arrivano dall'altra parte. "La conduttanza in un nanofilo dipende quindi molto dalla sua lunghezza, " dice Matthias Koch. Inoltre, complessivamente nel processo di tunneling scorre una quantità di corrente notevolmente inferiore rispetto al trasporto di carica in un conduttore convenzionale.

Gli scienziati hanno anche mostrato per la prima volta come il trasporto di carica dipenda dall'energia degli elettroni. Se selezionano l'energia dell'elettrone in modo che corrisponda all'energia degli orbitali molecolari, il trasporto di carica migliora immediatamente. Gli orbitali sono gli spazi negli atomi e nelle molecole in cui gli elettroni, ciascuno avente un'energia ben definita, occupare. "Gli orbitali molecolari fungono da canali che si estendono su tutta la molecola e consentono un efficiente trasporto di carica, " dice Leonhard Grill. "Se siamo al di fuori di questi canali, energeticamente parlando, quindi il trasporto di carica è drasticamente limitato." Questo comportamento è stato sospettato da tempo, ma i ricercatori di Berlino lo hanno ora dimostrato per la prima volta su una singola molecola.

I nastri di grafene sono quindi interessanti oggetti di ricerca per i fisici, ma non sono ancora molto adatti per applicazioni in nanoelettronica. Tuttavia, un'ulteriore scoperta dei loro esperimenti indirizza i ricercatori berlinesi nella direzione di un nanofilo perfetto:la natura del trasporto di elettroni dipende da come si forma il bordo della striscia. Gli scienziati distinguono tra una struttura a zigzag e una poltrona. Con la struttura della poltrona gli atomi di carbonio sono disposti in modo tale che la loro silhouette assomigli a una fila di sedili e braccioli, mentre con il motivo a zigzag seguono un semplice sali e scendi.

La conduttanza cambia se il filo è piegato

Affinché un tale nanofilo mostri davvero una conduttanza perfetta, indipendentemente dalla lunghezza molecolare, anche gli scienziati del Fritz Haber Institute devono modificare il loro esperimento. Quando la punta del microscopio a scansione a effetto tunnel solleva il nastro di grafene dalla superficie dorata, la striscia si piega leggermente. Questo cambia le sue caratteristiche elettroniche, proprio come l'acqua scorre senza ostacoli attraverso un letto rettilineo di un fiume, tuttavia sperimenta una forte turbolenza intorno alle curve strette. "Abbiamo visto indicazioni che possiamo osservare una conduttanza eccezionale in un nastro di grafene che non è piegato, "dice Leonhard Grill.

I fisici quindi ora vogliono progettare esperimenti che consentano misurazioni di conduttanza con nanofili dritti. La semplice misurazione di un nastro di grafene su una superficie piana non produrrà immediatamente il risultato desiderato. "In una configurazione sperimentale come questa, la conduttanza del nastro di carbonio è influenzata dalla superficie su cui è adagiato, " spiega Leonhard Grill. Il suo gruppo è quindi alla ricerca di modi per evitare queste interazioni. Inoltre, gli scienziati di Berlino vogliono indagare su fili molecolari con strutture e composizioni diverse, sempre con l'obiettivo di ottenere molecole per fare l'aritmetica, come spiega Leonhard Grill:"Lo scopo del nostro lavoro è acquisire una visione fondamentale dei processi fisici in tali sistemi al fine di trovare alla fine non solo il nanofilo perfetto, ma anche progettare ulteriori componenti elettronici da singole molecole."