Investigadores dirigido por la profesora de ingeniería de Columbia Latha Venkataraman, informan hoy que han descubierto un nuevo principio de diseño químico para explotar la interferencia cuántica destructiva. Usaron su enfoque para crear un interruptor de una sola molécula de seis nanómetros donde la corriente en estado es más de 10, 000 veces mayor que la corriente en estado inactivo:el mayor cambio de corriente logrado hasta la fecha para un circuito de una sola molécula.

Este nuevo interruptor se basa en un tipo de interferencia cuántica que no tiene, hasta ahora, sido explorado. Los investigadores utilizaron moléculas largas con una unidad central especial para mejorar la interferencia cuántica destructiva entre diferentes niveles de energía electrónica. Demostraron que su enfoque puede usarse para producir interruptores de una sola molécula muy estables y reproducibles a temperatura ambiente que pueden transportar corrientes que exceden los 0.1 microamperios en el estado encendido. La longitud del conmutador es similar al tamaño de los chips de computadora más pequeños del mercado y sus propiedades se acercan a las de los conmutadores comerciales. El estudio se publica hoy en Nanotecnología de la naturaleza .

"Observamos el transporte a través de un cable molecular de seis nanómetros, lo cual es notable ya que rara vez se observa el transporte a través de escalas de longitud tan larga, "dijo Venkataraman, Profesor Lawrence Gussman de Física Aplicada, profesor de química, y Vicerrector de Asuntos Docentes. "De hecho, esta es la molécula más larga que jamás hayamos medido en nuestro laboratorio ".

Durante los últimos 45 años, Las disminuciones constantes en el tamaño de los transistores han permitido mejoras dramáticas en el procesamiento de computadoras y tamaños de dispositivos cada vez más reducidos. Los teléfonos inteligentes de hoy contienen cientos de millones de transistores hechos de silicio. Sin embargo, Los métodos actuales de fabricación de transistores se están acercando rápidamente a los límites de tamaño y rendimiento del silicio. Entonces, si el procesamiento informático va a avanzar, Los investigadores deben desarrollar mecanismos de conmutación que puedan utilizarse con nuevos materiales.

Venkataraman está a la vanguardia de la electrónica molecular. Su laboratorio mide las propiedades fundamentales de los dispositivos de una sola molécula, buscando comprender la interacción de la física, química, e ingeniería a escala nanométrica. Ella está particularmente interesada en obtener una comprensión más profunda de la física fundamental del transporte de electrones, al tiempo que sienta las bases para los avances tecnológicos.

A escala nanométrica, los electrones se comportan como ondas en lugar de partículas y el transporte de electrones se produce a través de un túnel. Como olas en la superficie del agua, las ondas de electrones pueden interferir constructivamente o interferir destructivamente. Esto da como resultado procesos no lineales. Por ejemplo, si dos ondas interfieren constructivamente, la amplitud (o altura) de la onda resultante es mayor que la suma de las dos ondas independientes. Dos ondas pueden cancelarse por completo con una interferencia destructiva.

"El hecho de que los electrones se comporten como ondas es la esencia de la mecánica cuántica, "Anotó Venkataraman.

A escala molecular, los efectos de la mecánica cuántica dominan el transporte de electrones. Los investigadores han predicho durante mucho tiempo que los efectos no lineales producidos por la interferencia cuántica deberían permitir interruptores de una sola molécula con grandes relaciones de encendido / apagado. Si pudieran aprovechar las propiedades mecánicas cuánticas de las moléculas para hacer elementos de circuito, podrían habilitar más rápido, menor, y dispositivos más eficientes energéticamente, incluidos los interruptores.

"Hacer transistores a partir de moléculas individuales representa el límite máximo en términos de miniaturización y tiene el potencial de permitir un procesamiento exponencialmente más rápido mientras se reduce el consumo de energía, ", dijo Venkataraman." Hacer dispositivos de una sola molécula que sean estables y capaces de soportar ciclos de conmutación repetidos no es una tarea trivial. Nuestros resultados allanan el camino hacia la fabricación de transistores de una sola molécula ".

Una analogía común es pensar en los transistores como una válvula en una tubería. Cuando la válvula está abierta, el agua fluye a través de la tubería. Cuando está cerrado, el agua está bloqueada. En transistores, el flujo de agua se reemplaza con el flujo de electrones, o actual. En el estado, Flujos de corriente. En el estado fuera, la corriente está bloqueada. Idealmente, la cantidad de corriente que fluye en los estados de encendido y apagado debe ser muy diferente; de lo contrario, el transistor es como una tubería con fugas donde es difícil saber si la válvula está abierta o cerrada. Dado que los transistores funcionan como interruptores, Un primer paso en el diseño de transistores moleculares es diseñar sistemas en los que pueda alternar el flujo de corriente entre un estado encendido y apagado. La mayoría de los diseños pasados, sin embargo, han creado transistores con fugas mediante el uso de moléculas cortas donde la diferencia entre el estado encendido y apagado no era significativa.

Para superar esto, Venkataraman y su equipo se enfrentaron a una serie de obstáculos. Su principal desafío fue utilizar principios de diseño químico para crear circuitos moleculares donde los efectos de interferencia cuántica podrían suprimir fuertemente la corriente en el estado desactivado. mitigando así los problemas de fugas.

"Es difícil desconectar por completo el flujo de corriente en moléculas cortas debido a la mayor probabilidad de que se produzcan túneles mecánicos cuánticos en escalas de longitud más cortas", explicó la autora principal del estudio, Julia Greenwald, un doctorado estudiante en el laboratorio de Venkataraman. "Lo contrario es cierto para las moléculas largas, donde a menudo es difícil lograr altas corrientes en estado porque la probabilidad de tunelización decae con la longitud. Los circuitos que diseñamos son únicos por su longitud y su gran relación de encendido / apagado; ahora podemos lograr tanto una corriente en estado alta como una corriente en estado inactivo muy baja ".

El equipo de Venkataraman creó sus dispositivos utilizando moléculas largas sintetizadas por el colaborador Peter Skabara, Cátedra Ramsay de Química, y su grupo en la Universidad de Glasgow. Las moléculas largas son fáciles de atrapar entre los contactos metálicos para crear circuitos de una sola molécula. Los circuitos son muy estables y pueden sostener repetidamente altos voltajes aplicados (superiores a 1,5 V). La estructura electrónica de las moléculas mejora los efectos de interferencia, permitiendo una pronunciada no linealidad en la corriente en función de la tensión aplicada, lo que conduce a una relación muy grande entre la corriente en estado activo y la corriente en estado inactivo.

Los investigadores continúan trabajando con el equipo de la Universidad de Glasgow para ver si su enfoque de diseño se puede aplicar a otras moléculas. y desarrollar un sistema en el que el cambio pueda ser activado por un estímulo externo.

"Nuestra construcción de un interruptor a partir de una sola molécula es un paso muy emocionante hacia el diseño de abajo hacia arriba de materiales utilizando bloques de construcción moleculares, "Dijo Greenwald." La construcción de dispositivos electrónicos con moléculas individuales que actúan como componentes del circuito sería verdaderamente transformador ".

El estudio se titula "Transporte altamente no lineal a través de uniones de una sola molécula a través de interferencia cuántica destructiva".