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  • El aislante molecular único empuja los límites del estado actual de la técnica

    Una ilustración del dispositivo de molécula única basado en silicio que funciona como un aislante eficiente a través de un efecto de interferencia cuántica basado en sigma. Crédito:Haixing Li / Columbia Engineering

    Los transistores cada vez más reducidos son la clave para un procesamiento informático más rápido y eficiente. Desde la década de 1970, Los avances en la electrónica han sido impulsados ​​en gran medida por el ritmo constante con el que estos pequeños componentes se han vuelto más pequeños y más poderosos al mismo tiempo, hasta sus dimensiones actuales en la escala nanométrica. Pero los últimos años han visto esta meseta de progreso, mientras los investigadores lidian con si los transistores finalmente pueden haber alcanzado su límite de tamaño. En lo alto de la lista de obstáculos que se interponen en el camino de una mayor miniaturización:problemas causados ​​por la "corriente de fuga".

    La corriente de fuga se produce cuando el espacio entre dos electrodos metálicos se estrecha hasta el punto de que sus barreras ya no contienen electrones. un fenómeno conocido como tunelización mecánica cuántica. A medida que la brecha continúa disminuyendo, esta conducción de túnel aumenta a una tasa exponencialmente más alta, haciendo que la miniaturización adicional sea extremadamente desafiante. El consenso científico ha sostenido durante mucho tiempo que las barreras de vacío representan el medio más eficaz para reducir la construcción de túneles, haciéndolos la mejor opción general para aislar transistores. Sin embargo, incluso las barreras de vacío pueden permitir algunas fugas debido a los túneles cuánticos.

    En una colaboración altamente interdisciplinaria, investigadores de Columbia Engineering, Departamento de Química de la Universidad de Columbia, Universidad Normal de Shanghai, y la Universidad de Copenhague han invertido la sabiduría convencional, sintetizando la primera molécula capaz de aislar a escala nanométrica de forma más eficaz que una barrera de vacío. Sus hallazgos se publican hoy en línea en Naturaleza .

    "Hemos llegado a un punto en el que es fundamental que los investigadores desarrollen soluciones creativas para rediseñar aisladores. Nuestra estrategia molecular representa un nuevo principio de diseño para dispositivos clásicos, con el potencial de apoyar la miniaturización continua en el corto plazo, "dijo el físico de Columbia Engineering y coautor Latha Venkataraman, quien dirige el laboratorio donde el investigador Haixing Li llevó a cabo el trabajo experimental del proyecto. La síntesis molecular se llevó a cabo en el laboratorio Colin Nuckolls del Departamento de Química de Columbia, en asociación con Shengxiong Xiao en la Universidad Normal de Shanghai.

    La idea del equipo fue explotar la naturaleza ondulatoria de los electrones. Al diseñar una molécula de silicio extremadamente rígida de menos de 1 nm de longitud que exhibía firmas de interferencia destructiva integral, idearon una técnica novedosa para bloquear la conducción de túnel a nanoescala.

    "Este enfoque basado en la interferencia cuántica establece un nuevo estándar para moléculas aislantes cortas, "dijo el autor principal Marc Garner, químico en el Laboratorio Solomon de la Universidad de Copenhague, que manejó el trabajo teórico. "Teóricamente, la interferencia puede conducir a la cancelación completa de la probabilidad de tunelización, y hemos demostrado que el componente aislante de nuestra molécula es menos conductor que un espacio de vacío de las mismas dimensiones. Al mismo tiempo, nuestro trabajo también mejora la investigación reciente sobre sistemas basados ​​en carbono, que se pensaba que eran los mejores aislantes moleculares hasta ahora ".

    La interferencia cuántica destructiva ocurre cuando los picos y valles de dos ondas se colocan exactamente fuera de fase, anulación de la oscilación. Las ondas electrónicas pueden considerarse análogas a las ondas sonoras:fluyen a través de las barreras del mismo modo que las ondas sonoras se "filtran" a través de las paredes. Las propiedades únicas exhibidas por la molécula sintética del equipo mitigaron la formación de túneles sin requerir, en esta analogía, una pared más gruesa.

    Su estrategia basada en silicio también presenta una solución potencialmente más lista para la fábrica. Si bien la investigación reciente sobre nanotubos de carbono es prometedora para aplicaciones industriales durante la próxima década, este aislante, compatible con los estándares actuales de la industria, podría implementarse más fácilmente.

    "Felicitaciones al equipo por este avance, "dijo Mark Ratner, un pionero en el campo de la electrónica molecular y profesor emérito de la Northwestern University que no participó en el estudio. "Hasta la fecha se ha ignorado el uso de interferencia para crear un aislante. Este documento demuestra la capacidad de interferencia, en un sistema sigma basado en silicio, lo cual es bastante impresionante ".

    Este avance surgió del proyecto más grande del equipo sobre la electrónica de moléculas basadas en silicio, comenzó en 2010. El grupo llegó a su último descubrimiento desafiando la tendencia. La mayor parte de la investigación en este campo tiene como objetivo crear moléculas altamente conductoras, ya que la baja conductancia rara vez se considera una propiedad deseable en la electrónica. Sin embargo, los componentes aislantes pueden resultar de mayor valor para la optimización futura de los transistores, debido a las ineficiencias energéticas inherentes causadas por corrientes de fuga en dispositivos más pequeños.

    Como resultado, su trabajo ha proporcionado una nueva comprensión de los mecanismos subyacentes fundamentales de conducción y aislamiento en dispositivos a escala molecular. Los investigadores se basarán en esta idea aclarando a continuación los detalles de las relaciones estructura-función en componentes moleculares basados ​​en silicio.

    "Este trabajo ha sido muy gratificante para nosotros, porque en el transcurso de ella hemos descubierto repetidamente nuevos fenómenos, ", dijo Venkataraman." Hemos demostrado anteriormente que los cables moleculares de silicio pueden funcionar como interruptores, y ahora hemos demostrado que, al modificar su estructura, podemos crear aislantes. Hay mucho que aprender en esta área que ayudará a dar forma al futuro de la electrónica a nanoescala ".

    El estudio se titula "Supresión completa de la conductancia de una sola molécula mediante interferencia sigma destructiva".


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