Observando los sorprendentes avances en la tecnología de semiconductores, El cofundador de Intel, Gordon Moore, propuso que la cantidad de transistores en un chip se duplicará cada año, una observación que ha nacido desde que hizo la afirmación en 1965. Aún así, Es poco probable que Moore pudiera haber previsto el alcance de la revolución electrónica en curso.

Hoy dia, una nueva generación de dispositivos, teniendo propiedades únicas, esta en desarrollo. A medida que la ultraminiaturización continúa a buen ritmo, Los investigadores han comenzado a explorar la intersección de propiedades físicas y químicas que ocurren a escala molecular.

Los avances en este dominio acelerado podrían mejorar los dispositivos para el almacenamiento de datos y el procesamiento de la información y ayudar en el desarrollo de interruptores moleculares. entre otras innovaciones.

Nongjian "NJ" Tao y sus colaboradores describieron recientemente una serie de estudios sobre la conductancia eléctrica a través de moléculas individuales. La creación de productos electrónicos a esta escala infinitesimal presenta muchos desafíos. En el mundo de los ultra pequeños dominan las propiedades peculiares del mundo cuántico. Aquí, los electrones que fluyen como corriente se comportan como ondas y están sujetos a un fenómeno conocido como interferencia cuántica. La capacidad de manipular este fenómeno cuántico podría ayudar a abrir la puerta a nuevos dispositivos nanoelectrónicos con propiedades inusuales.

"Estamos interesados ​​no solo en medir fenómenos cuánticos en moléculas individuales, pero también controlarlos. Esto nos permite comprender el transporte de carga básico en sistemas moleculares y estudiar nuevas funciones de dispositivos, "Dice Tao.

Tao es el director del Centro de Biodiseño para Bioelectrónica y Biosensores. En investigación que aparece en la revista Materiales de la naturaleza , Tao y colegas de Japón, China y el Reino Unido describen experimentos en los que una sola molécula orgánica se suspende entre un par de electrodos a medida que pasa una corriente a través de la pequeña estructura.

Los investigadores exploran las propiedades de transporte de carga a través de las moléculas. Demostraron que una propiedad similar a una onda fantasmal de los electrones, conocida como interferencia cuántica, se puede modular con precisión en dos configuraciones diferentes de la molécula. conocido como Para y Meta.

Resulta que los efectos de la interferencia cuántica pueden causar una variación sustancial en las propiedades de conductancia de los dispositivos a escala molecular. Controlando la interferencia cuántica, el grupo demostró que la conductancia eléctrica de una sola molécula se puede ajustar en dos órdenes de magnitud. El control preciso y continuo de la interferencia cuántica se considera un ingrediente clave en el futuro desarrollo de la electrónica de gran escala molecular. operando a alta velocidad y baja potencia.

Estos dispositivos de una sola molécula podrían actuar como transistores, cables rectificadores, interruptores o puertas lógicas y pueden encontrar su camino en aplicaciones futuristas que incluyen dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID), criptografía cuántica, y computación cuántica.

Para el estudio actual, las moléculas, hidrocarburos en forma de anillo que pueden aparecer en diferentes configuraciones, se utilizaron, ya que se encuentran entre los candidatos más simples y versátiles para modelar el comportamiento de la electrónica molecular y son ideales para observar efectos de interferencia cuántica a nanoescala.

Para sondear la forma en que la carga se mueve a través de una sola molécula, Se realizaron las llamadas mediciones de ruptura de uniones. Las pruebas implican el uso de un microscopio de efecto túnel o STM. La molécula en estudio está colocada entre un sustrato de oro y la punta de oro del dispositivo STM. La punta del STM entra y sale de contacto repetidamente con la molécula, rompiendo y reformando el empalme mientras la corriente pasa por cada terminal.

Se registraron miles de trazas de conductancia frente a distancia, con las propiedades moleculares particulares de las dos moléculas utilizadas para los experimentos alterando el flujo de electrones a través de la unión. Las moléculas en la configuración 'Para' mostraron valores de conductancia más altos que las moléculas de la forma 'Meta', indicando interferencia cuántica constructiva vs destructiva en las moléculas.

Usando una técnica conocida como puerta electroquímica, los investigadores pudieron controlar continuamente la conductancia en dos órdenes de magnitud. En el pasado, La alteración de las propiedades de interferencia cuántica requirió modificaciones en la molécula portadora de carga utilizada para el dispositivo. El estudio actual marca la primera ocasión de regulación de la conductancia en una sola molécula.

Como señalan los autores, la conductancia a escala molecular se ve afectada sensiblemente por la interferencia cuántica que involucra los orbitales de electrones de la molécula. Específicamente, la interferencia entre el orbital molecular ocupado más alto u HOMO y el orbital molecular desocupado más bajo o LUMO parece ser el determinante dominante de la conductancia en moléculas individuales. Usando un voltaje de puerta electroquímico, La interferencia cuántica en las moléculas podría ajustarse con delicadeza.

Los investigadores pudieron demostrar una buena concordancia entre los cálculos teóricos y los resultados experimentales, lo que indica que las contribuciones de HOMO y LUMO a la conductancia fueron aditivas para las moléculas de Para, resultando en una interferencia constructiva, y sustractivo para Meta, conduciendo a una interferencia destructiva, tanto como las olas en el agua pueden combinarse para formar una ola más grande o anularse entre sí, dependiendo de su fase.

Si bien se habían realizado cálculos teóricos previos del transporte de carga a través de moléculas individuales, La verificación experimental ha tenido que esperar una serie de avances en nanotecnología, microscopía de sonda de exploración, y métodos para formar conexiones eléctricamente funcionales de moléculas a superficies metálicas. Ahora, con la capacidad de alterar sutilmente la conductancia mediante la manipulación de interferencias cuánticas, el campo de la electrónica molecular está abierto a una amplia gama de innovaciones.