Un team internazionale di fisici ha utilizzato un microscopio a scansione a effetto tunnel per creare un minuscolo transistor costituito da una singola molecola e un piccolo numero di atomi. L'azione del transistor osservata è notevolmente diversa dal comportamento previsto convenzionalmente e potrebbe essere importante per le future tecnologie dei dispositivi, nonché per gli studi fondamentali sul trasporto di elettroni nelle nanostrutture molecolari. I fisici rappresentano il Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) e la Freie Universität Berlin (FUB), Germania, i Laboratori di ricerca di base NTT (NTT-BRL), Giappone, e il Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti (NRL). I loro risultati completi sono pubblicati nel numero del 13 luglio 2015 della rivista Fisica della natura .

I transistor hanno una regione di canale tra due contatti esterni e un elettrodo di gate elettrico per modulare il flusso di corrente attraverso il canale. Nei transistor su scala atomica, questa corrente è estremamente sensibile al salto di singoli elettroni tramite livelli energetici discreti. In studi precedenti, i ricercatori hanno esaminato il trasporto di un singolo elettrone nei transistor molecolari utilizzando approcci top-down, come la litografia e le giunzioni di rottura. Ma il controllo atomicamente preciso del gate, che è cruciale per l'azione dei transistor su scale di dimensioni più piccole, non è possibile con questi approcci.

Il team ha utilizzato un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) altamente stabile per creare un transistor costituito da una singola molecola organica e atomi di metallo caricati positivamente, posizionandoli con la punta STM sulla superficie di un cristallo di arseniuro di indio (InAs). Dott. Kiyoshi Kanisawa, un fisico presso NTT-BRL, ha utilizzato la tecnica di crescita dell'epitassia a fascio molecolare per preparare questa superficie. Successivamente, l'approccio STM ha permesso ai ricercatori di assemblare porte elettriche dagli atomi con carica +1 con precisione atomica e quindi di posizionare la molecola in varie posizioni desiderate vicino alle porte. Dott. Stefan Fölsch, un fisico del PDI che guidava la squadra, ha spiegato che "la molecola è solo debolmente legata al modello InAs. Quindi, quando portiamo la punta STM molto vicino alla molecola e applichiamo una tensione di polarizzazione alla giunzione punta-campione, i singoli elettroni possono creare tunnel tra il modello e la punta saltando attraverso orbitali molecolari quasi imperturbabili, simile al principio di funzionamento di un punto quantico controllato da un elettrodo esterno. Nel nostro caso, gli atomi carichi vicini forniscono il potenziale di porta elettrostatico che regola il flusso di elettroni e lo stato di carica della molecola."

Ma c'è una differenza sostanziale tra un punto quantico semiconduttore convenzionale, che comprende tipicamente centinaia o migliaia di atomi, e il caso attuale di una molecola legata alla superficie. Dott. Steven Erwin, un fisico nel Center for Computational Materials Science presso NRL ed esperto in teoria del funzionale della densità, ha sottolineato che, "la molecola adotta diversi orientamenti di rotazione, a seconda del suo stato di carica. Lo abbiamo previsto sulla base dei calcoli dei primi principi e lo abbiamo confermato mediante l'imaging della molecola con l'STM".

Questo accoppiamento tra carica e orientamento ha un effetto drammatico sul flusso di elettroni attraverso la molecola, manifestato da un ampio gap di conduttanza a basse tensioni di polarizzazione. Dottor Piet Brouwer, un fisico alla FUB ed esperto in teoria del trasporto quantistico, disse, "Questo comportamento intrigante va oltre l'immagine consolidata del trasporto di carica attraverso un punto quantico chiuso. Invece, abbiamo sviluppato un modello generico che tiene conto della dinamica accoppiata elettronica e orientativa della molecola." Questo modello semplice e fisicamente trasparente riproduce interamente le caratteristiche del transistor a singola molecola osservate sperimentalmente.

La perfezione e la riproducibilità offerte da questi transistor generati da STM consentiranno ai ricercatori di esplorare processi elementari che coinvolgono il flusso di corrente attraverso singole molecole a un livello fondamentale. Comprendere e controllare questi processi, e i nuovi tipi di comportamento a cui possono portare, sarà importante per l'integrazione di dispositivi basati su molecole con le tecnologie dei semiconduttori esistenti.