Ricercatori, guidato dal professore di ingegneria della Columbia Latha Venkataraman, riferiscono oggi di aver scoperto un nuovo principio di progettazione chimica per sfruttare l'interferenza quantistica distruttiva. Hanno usato il loro approccio per creare un interruttore a singola molecola a sei nanometri in cui la corrente di stato è superiore a 10, 000 volte maggiore della corrente allo stato spento:la più grande variazione di corrente ottenuta fino ad oggi per un circuito a singola molecola.

Questo nuovo interruttore si basa su un tipo di interferenza quantistica che non ha, fino ad ora, stato esplorato. I ricercatori hanno utilizzato lunghe molecole con una speciale unità centrale per migliorare l'interferenza quantistica distruttiva tra diversi livelli di energia elettronica. Hanno dimostrato che il loro approccio può essere utilizzato per produrre interruttori a molecola singola molto stabili e riproducibili a temperatura ambiente in grado di trasportare correnti superiori a 0,1 microampere nello stato acceso. La lunghezza dello switch è simile alla dimensione dei più piccoli chip per computer attualmente sul mercato e le sue proprietà si avvicinano a quelle degli switch commerciali. Lo studio è pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura .

"Abbiamo osservato il trasporto attraverso un filo molecolare di sei nanometri, il che è notevole poiché il trasporto su scale così lunghe è raramente osservato, " disse Venkataraman, Lawrence Gussman Professore di Fisica Applicata, professore di chimica, e Vice Rettore per gli Affari di Facoltà. "Infatti, questa è la molecola più lunga che abbiamo mai misurato nel nostro laboratorio".

Negli ultimi 45 anni, le costanti diminuzioni delle dimensioni dei transistor hanno consentito notevoli miglioramenti nell'elaborazione dei computer e dimensioni dei dispositivi sempre più ridotte. Gli smartphone di oggi contengono centinaia di milioni di transistor realizzati in silicio. Però, gli attuali metodi di fabbricazione dei transistor si stanno rapidamente avvicinando ai limiti di dimensioni e prestazioni del silicio. Così, se l'elaborazione informatica deve avanzare, i ricercatori devono sviluppare meccanismi di commutazione che possano essere utilizzati con nuovi materiali.

Venkataraman è in prima linea nell'elettronica molecolare. Il suo laboratorio misura le proprietà fondamentali dei dispositivi a singola molecola, cercando di capire l'interazione della fisica, chimica, e ingegneria su scala nanometrica. È particolarmente interessata ad acquisire una comprensione più profonda della fisica fondamentale del trasporto di elettroni, gettando le basi per il progresso tecnologico.

Su scala nanometrica, gli elettroni si comportano come onde piuttosto che come particelle e il trasporto degli elettroni avviene tramite tunneling. Come onde sulla superficie dell'acqua, le onde elettroniche possono interferire costruttivamente o interferire in modo distruttivo. Ciò si traduce in processi non lineari. Per esempio, se due onde interferiscono costruttivamente, l'ampiezza (o altezza) dell'onda risultante è maggiore della somma delle due onde indipendenti. Due onde possono essere completamente annullate con interferenze distruttive.

"Il fatto che gli elettroni si comportino come onde è l'essenza della meccanica quantistica, " ha osservato Venkataraman.

A scala molecolare, gli effetti della meccanica quantistica dominano il trasporto degli elettroni. I ricercatori hanno da tempo previsto che gli effetti non lineari prodotti dall'interferenza quantistica dovrebbero consentire interruttori a molecola singola con grandi rapporti on/off. Se potessero sfruttare le proprietà quantomeccaniche delle molecole per creare elementi circuitali, potrebbero abilitare più velocemente, più piccoli, e dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico, compresi gli interruttori.

"Realizzare transistor con singole molecole rappresenta il limite ultimo in termini di miniaturizzazione e ha il potenziale per consentire un'elaborazione esponenzialmente più veloce diminuendo il consumo di energia, " ha detto Venkataraman. "Realizzare dispositivi a singola molecola che siano stabili e in grado di sostenere ripetuti cicli di commutazione è un compito non banale. I nostri risultati aprono la strada alla realizzazione di transistor a molecola singola".

Un'analogia comune è pensare ai transistor come una valvola su un tubo. Quando la valvola è aperta, l'acqua scorre attraverso il tubo. Quando è chiuso, l'acqua è bloccata. Nei transistor, il flusso d'acqua viene sostituito dal flusso di elettroni, o corrente. Nello stato, flussi di corrente. Nello stato fuori, la corrente è bloccata. Idealmente, la quantità di corrente che scorre negli stati on e off deve essere molto diversa; altrimenti, il transistor è come un tubo che perde dove è difficile dire se la valvola è aperta o chiusa. Poiché i transistor funzionano come interruttori, un primo passo nella progettazione di transistor molecolari consiste nel progettare sistemi in cui è possibile alternare il flusso di corrente tra uno stato on e off. La maggior parte dei progetti passati, però, hanno creato transistor che perde utilizzando molecole corte in cui la differenza tra lo stato on e off non era significativa.

Per superare questo, Venkataraman e il suo team hanno dovuto affrontare una serie di ostacoli. La loro sfida principale era utilizzare i principi di progettazione chimica per creare circuiti molecolari in cui gli effetti di interferenza quantistica potessero sopprimere fortemente la corrente nello stato off, attenuando così i problemi di perdita.

"È difficile disattivare completamente il flusso di corrente in molecole corte a causa della maggiore probabilità di tunneling meccanico quantistico su scale di lunghezza inferiore", ha spiegato l'autrice principale dello studio Julia Greenwald, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Venkataraman. "Il contrario è vero per le molecole lunghe, dove è spesso difficile raggiungere elevate correnti di stato perché la probabilità di tunneling decade con la lunghezza. I circuiti che abbiamo progettato sono unici per la loro lunghezza e per il loro ampio rapporto on/off; ora siamo in grado di raggiungere sia un'elevata corrente in stato on che una corrente molto bassa in stato off."

Il team di Venkataraman ha creato i propri dispositivi utilizzando lunghe molecole sintetizzate dal collaboratore Peter Skabara, Ramsay cattedra di chimica, e il suo gruppo all'Università di Glasgow. Le molecole lunghe sono facili da intrappolare tra i contatti metallici per creare circuiti a molecola singola. I circuiti sono molto stabili e possono sostenere ripetutamente tensioni applicate elevate (superiori a 1,5 V). La struttura elettronica delle molecole aumenta gli effetti di interferenza, consentendo una pronunciata non linearità della corrente in funzione della tensione applicata, che porta a un rapporto molto ampio tra la corrente nello stato on e la corrente nello stato off.

I ricercatori stanno continuando a lavorare con il team dell'Università di Glasgow per vedere se il loro approccio progettuale può essere applicato ad altre molecole, e sviluppare un sistema in cui l'interruttore può essere attivato da uno stimolo esterno.

"La nostra costruzione di un interruttore da una singola molecola è un passo molto entusiasmante verso la progettazione dal basso verso l'alto di materiali utilizzando blocchi molecolari, " Greenwald ha detto. "Costruire dispositivi elettronici con singole molecole che agiscono come componenti del circuito sarebbe davvero trasformativo".

Lo studio è intitolato "Trasporto altamente non lineare attraverso giunzioni a singola molecola tramite interferenza quantistica distruttiva".