Un equipo internacional de investigadores de la Universidad Queen Mary de Londres, la Universidad de Oxford, la Universidad de Lancaster y la Universidad de Waterloo han desarrollado un nuevo transistor de una sola molécula que utiliza interferencia cuántica para controlar el flujo de electrones. El transistor, que se describe en un artículo publicado en Nature Nanotechnology , abre nuevas posibilidades para el uso de efectos cuánticos en dispositivos electrónicos.
Los transistores son los componentes básicos de la electrónica moderna. Se utilizan para amplificar y conmutar señales eléctricas y son esenciales para todo, desde teléfonos inteligentes hasta naves espaciales. Sin embargo, el método tradicional de fabricar transistores, que implica grabar silicio en canales diminutos, está llegando a sus límites.
A medida que los transistores se hacen más pequeños, se vuelven cada vez más ineficientes y susceptibles a errores, ya que los electrones pueden escaparse a través del dispositivo incluso cuando se supone que está apagado, mediante un proceso conocido como túnel cuántico. Los investigadores están explorando nuevos tipos de mecanismos de conmutación que se pueden utilizar con diferentes materiales para eliminar este efecto.
En las estructuras a nanoescala que el profesor Jan Mol, el Dr. James Thomas y su grupo estudian en la Escuela de Ciencias Físicas y Químicas de Queen Mary, dominan los efectos de la mecánica cuántica y los electrones se comportan como ondas en lugar de partículas. Aprovechando estos efectos cuánticos, los investigadores construyeron un nuevo transistor.
El canal conductor del transistor es una única porfirina de zinc, una molécula que puede conducir electricidad. La porfirina está intercalada entre dos electrodos de grafeno y, cuando se aplica un voltaje a los electrodos, el flujo de electrones a través de la molécula se puede controlar mediante interferencia cuántica.
La interferencia es un fenómeno que ocurre cuando dos ondas interactúan entre sí y se anulan (interferencia destructiva) o se refuerzan (interferencia constructiva). En el caso del nuevo transistor, los investigadores encendieron y apagaron el transistor controlando si los electrones interfieren de manera constructiva (encendido) o destructiva (apagado) mientras fluyen a través de la molécula de porfirina de zinc.
Los investigadores descubrieron que el nuevo transistor tiene una relación de encendido/apagado muy alta, lo que significa que se puede encender y apagar con mucha precisión. La interferencia cuántica destructiva juega un papel crucial en esto al eliminar el flujo de electrones que se escapa del túnel cuántico a través del transistor cuando se supone que está apagado.
También descubrieron que el transistor es muy estable. Los transistores anteriores fabricados a partir de una sola molécula sólo habían podido demostrar un puñado de ciclos de conmutación. Sin embargo, este dispositivo puede funcionar durante cientos de miles de ciclos sin estropearse.
"La interferencia cuántica es un fenómeno poderoso que tiene el potencial de usarse en una amplia variedad de aplicaciones electrónicas", dijo el autor principal, el Dr. James Thomas, profesor de Tecnologías Cuánticas en Queen Mary. "Creemos que nuestro trabajo es un paso importante hacia la realización de este potencial."
"Nuestros resultados muestran que la interferencia cuántica se puede utilizar para controlar el flujo de electrones en los transistores y que esto se puede hacer de una manera eficiente y confiable", dijo el profesor Jan Mol, coautor del estudio. "Esto podría conducir al desarrollo de nuevos tipos de transistores que sean más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente que los dispositivos actuales".
Los investigadores también descubrieron que los efectos de la interferencia cuántica podrían usarse para mejorar la oscilación por debajo del umbral del transistor, que es una medida de qué tan sensible es el transistor a los cambios en el voltaje de la puerta. Cuanto menor sea la oscilación por debajo del umbral, más eficiente será el transistor.
Los transistores de los investigadores tenían una oscilación por debajo del umbral de 140 mV/dec, que es mejor que las oscilaciones por debajo del umbral informadas para otros transistores de una sola molécula y comparables a dispositivos más grandes fabricados con materiales como los nanotubos de carbono.
La investigación aún se encuentra en sus etapas iniciales, pero los investigadores son optimistas en cuanto a que el nuevo transistor podría usarse para crear una nueva generación de dispositivos electrónicos. Estos dispositivos podrían usarse en una variedad de aplicaciones, desde computadoras y teléfonos inteligentes hasta dispositivos médicos.
Más información: Zhixin Chen et al, La interferencia cuántica mejora el rendimiento de los transistores de una sola molécula, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01633-1
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por Queen Mary, Universidad de Londres
