Квантовая странность рождает новую электронику

Отмечая поразительные достижения в области полупроводниковых технологий, соучредитель компании Intel Гордон Мур предположил, что число транзисторов в чипе будет удваиваться каждые два года, и это наблюдение подтверждается с тех пор, как он сделал это заявление в 1965 году. Тем не менее Мур вряд ли мог предвидеть степень революции электроники в настоящее время.

Сегодня разрабатывается новое поколение устройств с уникальными свойствами. Поскольку ультра-миниатюризация продолжается быстро, исследователи начали исследовать пересечение физических и химических свойств, происходящих в молекулярном масштабе.

Достижения в этой быстро развивающейся области могли бы улучшить устройства для хранения данных и обработки информации и помочь в разработке молекулярных коммутаторов.

Исследователь Нун Цзянь «NJ» Тао и его коллеги недавно описали серию исследований электрической проводимости через отдельные молекулы. Создание электроники в этом бесконечно малом масштабе представляет много проблем. В мире ультра-крошечных размеров, господствуют особые свойства квантового мира. Здесь электроны, текущие как ток, ведут себя как волны и подвержены явлению, известному как квантовая интерференция. Способность манипулировать этим квантовым явлением может помочь открыть двери для новых наноэлектронных устройств с необычными свойствами.

«Мы заинтересованы не только в измерении квантовых явлений в отдельных молекулах, но и в их контроле. Это позволяет нам понять основной перенос заряда в молекулярных системах и изучить новые функции устройства», — говорит Тао.

Тао является директором Центра биодизайна, биоэлектроники и биосенсоров. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, Тао и его коллеги из Японии, Китая и Великобритании обрисовывают в общих чертах эксперименты, в которых одна органическая молекула подвешена между парой электродов, когда ток проходит через крошечную структуру.

Ученые исследуют свойства переноса заряда через молекулы. Они продемонстрировали, что призрачное волнообразное свойство электронов, известное как квантовая интерференция, может быть точно модулировано в двух разных конфигурациях молекулы, известных как Para и Meta.

Оказывается, что квантовые интерференционные эффекты могут вызывать существенные изменения в свойствах проводимости молекулярных устройств. Контролируя квантовые помехи, группа ученых показала, что электрическая проводимость отдельной молекулы может быть настроена. Точное и непрерывное управление квантовыми помехами рассматривается в качестве ключевого компонента в будущем развитии электроники широкого спектра молекулярного масштаба, работающей на высокой скорости и малой мощности.

Такие одномолекулярные устройства могут потенциально выступать в качестве транзисторов, проводов, переключателей или логических элементов и могут найти применение в футуристических приложениях, включая сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID), квантовую криптографию и квантовые вычисления.

Для текущего исследования использовались молекулы — углеводороды в форме кольца, которые могут появляться в различных конфигурациях — они являются одними из самых простых и универсальных кандидатов для моделирования поведения молекулярной электроники и идеально подходят для наблюдения квантовых интерференционных эффектов на наноуровне.

Чтобы исследовать, как заряд движется через одну молекулу, были проведены так называемые измерения разрывных контактов. Испытания включают использование сканирующего туннельного микроскопа или СТМ. Исследуемая молекула находится между золотой подложкой и золотым наконечником устройства СТМ. Кончик СТМ многократно вводится и выводится из контакта с молекулой, разрушая и преобразовывая соединение, пока ток проходит через каждую клемму.

Были записаны тысячи следов проводимости в зависимости от расстояния, при этом особые молекулярные свойства двух молекул использовались для экспериментов, изменяющих поток электронов через соединение. Молекулы в конфигурации «Para» показали более высокие значения проводимости, чем молекулы «Meta», что указывает на конструктивную или разрушительную квантовую интерференцию в молекулах.

Используя технику, известную как электрохимическое стробирование, исследователи смогли непрерывно контролировать проводимость. В прошлом для изменения свойств квантовой интерференции требовались модификации несущей заряд молекулы, используемой для устройства. Текущее исследование отмечает первый случай регулирования проводимости в единственной молекуле.

Как отмечают авторы, проводимость в молекулярном масштабе чувствительно зависит от квантовой интерференции с участием электронных орбиталей молекулы. В частности, интерференция между самой высокой занимаемой молекулярной орбиталью (HOMO) и самой низкой незанятой молекулярной орбиталью (LUMO), по-видимому, является доминирующей детерминантой проводимости в отдельных молекулах. Используя электрохимическое напряжение затвора, квантовые помехи в молекулах могут быть деликатно настроены.

Исследователи смогли продемонстрировать хорошее согласие между теоретическими расчетами и экспериментальными результатами, указав, что вклады HOMO и LUMO в проводимость были аддитивными для молекул Para, вызывая конструктивные помехи, и субтрактивными для Meta, приводя к разрушительным интерференциям, подобно волнам на воде, которые могут объединиться, чтобы сформировать большую волну или нейтрализовать друг друга, в зависимости от их фазы.

В то время как предыдущие теоретические расчеты переноса заряда через отдельные молекулы были выполнены достаточно давно, экспериментальная проверка должна была ждать ряда достижений в области нанотехнологий, сканирующей зондовой микроскопии и методов формирования электрически функциональных связей молекул с металлическими поверхностями. Теперь, благодаря способности тонко изменять проводимость посредством манипулирования квантовыми помехами, область молекулярной электроники открыта для широкого спектра инноваций.

Gate controlling of quantum interference and direct observation of anti-resonances in single molecule charge transport, DOI: 10.1038/s41563-018-0280-5 , https://www.nature.com/articles/s41563-018-0280-5