Transistor sempre più piccoli sono la chiave per un'elaborazione del computer più rapida ed efficiente. Dagli anni '70, i progressi nell'elettronica sono stati in gran parte guidati dal ritmo costante con cui questi minuscoli componenti sono diventati contemporaneamente più piccoli e più potenti, fino alle loro attuali dimensioni su scala nanometrica. Ma negli ultimi anni questo progresso si è stabilizzato, mentre i ricercatori si chiedono se i transistor possano aver finalmente raggiunto il loro limite di dimensioni. In cima alla lista degli ostacoli che si frappongono a un'ulteriore miniaturizzazione:i problemi causati dalla "corrente di dispersione".

La corrente di dispersione si verifica quando lo spazio tra due elettrodi metallici si riduce al punto che gli elettroni non sono più contenuti dalle loro barriere, un fenomeno noto come tunneling meccanico quantistico. Mentre il divario continua a diminuire, questa conduzione tunnel aumenta ad un tasso esponenzialmente più alto, rendendo l'ulteriore miniaturizzazione estremamente impegnativa. Il consenso scientifico ha a lungo sostenuto che le barriere a vuoto rappresentano il mezzo più efficace per ridurre il tunnelling, rendendoli la migliore opzione complessiva per isolare i transistor. Però, anche le barriere del vuoto possono consentire alcune perdite dovute al tunneling quantistico.

In una collaborazione altamente interdisciplinare, ricercatori della Columbia Engineering, Dipartimento di Chimica della Columbia University, Università Normale di Shanghai, e l'Università di Copenaghen hanno capovolto la saggezza convenzionale, sintetizzando la prima molecola in grado di isolare su scala nanometrica in modo più efficace di una barriera al vuoto. I loro risultati sono pubblicati online oggi in Natura .

"Abbiamo raggiunto il punto in cui è fondamentale per i ricercatori sviluppare soluzioni creative per riprogettare gli isolanti. La nostra strategia molecolare rappresenta un nuovo principio di progettazione per i dispositivi classici, con il potenziale per supportare la continua miniaturizzazione nel breve termine, " ha detto il fisico e coautore della Columbia Engineering Latha Venkataraman, che dirige il laboratorio in cui il ricercatore Haixing Li ha condotto il lavoro sperimentale del progetto. La sintesi molecolare è stata effettuata nel Colin Nuckolls Lab del Dipartimento di Chimica della Columbia, in collaborazione con Shengxiong Xiao alla Shanghai Normal University.

L'intuizione del team è stata quella di sfruttare la natura ondulatoria degli elettroni. Progettando una molecola a base di silicio estremamente rigida di lunghezza inferiore a 1 nm che mostrava firme di interferenza distruttive complete, hanno ideato una nuova tecnica per bloccare la conduzione del tunneling su scala nanometrica.

"Questo approccio basato sull'interferenza quantistica stabilisce un nuovo standard per le molecole isolanti corte, " ha detto l'autore principale Marc Garner, un chimico del Solomon Lab dell'Università di Copenaghen, che si occupava del lavoro teorico. "Teoricamente, l'interferenza può portare alla completa cancellazione della probabilità di tunneling, e abbiamo dimostrato che il componente isolante nella nostra molecola è meno conduttivo di uno spazio vuoto delle stesse dimensioni. Allo stesso tempo, il nostro lavoro migliora anche la recente ricerca sui sistemi a base di carbonio, che sono stati ritenuti i migliori isolanti molecolari fino ad ora."

L'interferenza quantistica distruttiva si verifica quando i picchi e le valli di due onde sono posizionati esattamente fuori fase, annullando l'oscillazione. Le onde elettroniche possono essere pensate come analoghe alle onde sonore:fluiscono attraverso le barriere proprio come le onde sonore "perdono" attraverso i muri. Le proprietà uniche esibite dalla molecola sintetica del team hanno mitigato il tunneling senza richiedere, in questa analogia, una parete più spessa.

La loro strategia basata sul silicio presenta anche una soluzione potenzialmente più pronta per la fabbrica. Mentre la recente ricerca sui nanotubi di carbonio è promettente per applicazioni industriali nel prossimo decennio circa, questo isolante, compatibile con gli attuali standard di settore, potrebbe essere implementato più facilmente.

"Congratulazioni al team per questa svolta, " ha detto Mark Ratner, un pioniere nel campo dell'elettronica molecolare e professore emerito alla Northwestern University che non è stato coinvolto nello studio. "L'uso dell'interferenza per creare un isolante è stato ignorato fino a questa data. Questo documento dimostra la capacità dell'interferenza, in un sistema sigma a base di silicio, che è piuttosto impressionante."

Questa svolta è scaturita dal più ampio progetto del team sull'elettronica delle molecole a base di silicio, iniziato nel 2010. Il gruppo è arrivato alla loro ultima scoperta in controtendenza. La maggior parte della ricerca in questo campo mira a creare molecole altamente conduttrici, poiché la bassa conduttanza è raramente considerata una proprietà desiderabile nell'elettronica. Tuttavia, i componenti isolanti potrebbero effettivamente rivelarsi di maggior valore per l'ottimizzazione futura dei transistor, a causa delle inefficienze energetiche intrinseche causate dalle correnti di dispersione nei dispositivi più piccoli.

Di conseguenza, il loro lavoro ha prodotto una nuova comprensione dei meccanismi fondamentali alla base della conduzione e dell'isolamento nei dispositivi su scala molecolare. I ricercatori si baseranno su questa intuizione chiarendo successivamente i dettagli delle relazioni struttura-funzione nei componenti molecolari a base di silicio.

"Questo lavoro è stato per noi estremamente gratificante, perché nel corso di esso abbiamo ripetutamente scoperto nuovi fenomeni, " ha detto Venkataraman. "Abbiamo già dimostrato che i fili molecolari di silicio possono funzionare come interruttori, e ora abbiamo dimostrato che alterando la loro struttura, possiamo creare isolanti. C'è molto da imparare in questo settore che contribuirà a plasmare il futuro dell'elettronica su nanoscala".

Lo studio è intitolato "Soppressione completa della conduttanza di una singola molecola utilizzando l'interferenza sigma distruttiva".