Kvantinių savybių naudojimas kuriant pavienius molekulinius prietaisus. Apskritimas yra tik 6 nanometrų ilgio

Naujo tipo kvantiniai trukdžiai leidžia atlikti vieną molekulinį jungiklį su dideliu įjungimo ir išjungimo santykiu. Paskola: Julia Greenwald և Columbia Engineering

Kolumbijos komanda atranda vienos 6 nanometrų ilgio molekulės sujungimą su didžiuliu įjungimo / išjungimo santykiu dėl kvantinių trukdžių. Aptikus galima įjungti greitesnius, mažesnius energijos taupymo įrenginius.

Kolumbijos inžinerijos profesorės Latha Venkataraman vadovaujami tyrėjai sako, kad šiandien jie atrado naują cheminio projektavimo principą, kad galėtų panaudoti destruktyvias kvantines intervencijas. Jie pasinaudojo savo požiūriu kurdami šešių nanometrų vienos molekulės automatinį jungiklį, kuriame įjungta srovė yra daugiau nei 10 000 kartų didesnė už išjungimo srovę. Iki šiol didžiausias molekulinės grandinės srovės pokytis.

Šis naujas jungiklis remiasi kvantinių trukdžių tipu, kuris dar nebuvo ištirtas. Tyrėjai naudojo ilgas molekules su specialiu centriniu bloku, kad sustiprintų destruktyvius kvantinius trukdžius tarp skirtingų elektronų energijos lygių. Jie parodė, kad jų požiūris gali būti naudojamas gaminant labai stabilius, atkuriamus vienos molekulės jungiklius kambario temperatūroje, galinčius praleisti daugiau nei 0,1 mikrombo sroves. Jungiklio ilgis yra panašus į mažiausių šiuo metu rinkoje esančių kompiuterių lustų dydį, jo savybės yra artimos komercinių jungiklių savybėms. Tyrimas buvo paskelbtas šiandien: Gamtos nanotechnologijos,

„Mes matėme transportą su šešių nanometrų molekuline viela, kas yra nuostabu, nes transportavimas tokiu ilgiu yra retas“, – sakė Venkataramanas, taikomosios fizikos profesorius, chemijos viceprezidentas Lawrence’as Guzmanas. – Tiesą sakant, tai yra ilgiausia kada nors mūsų laboratorijoje išmatuota molekulė.

Pastovus tranzistorių dydžio mažėjimas per pastaruosius 45 metus leido dramatiškai pagerinti kompiuterio apdorojimą, o prietaisų dydžiai vis mažėjo. Šių dienų išmaniuosiuose telefonuose yra šimtai milijonų tranzistorių, pagamintų iš silicio. Tačiau dabartiniai tranzistorių gamybos metodai greitai artėja prie silicio dydžio ribos. Taigi, jei norima skatinti kompiuterinį perdirbimą, mokslininkai turi sukurti atjungimo mechanizmus, kuriuos būtų galima naudoti kartu su naujomis medžiagomis.

Ventas yra molekulinės elektronikos lyderis. Jo laboratorija matuoja pagrindines molekulinių prietaisų savybes, bandydama suprasti fizikos, chemijos ir inžinerijos sąveiką nanometrų skalėje. Jį ypač domina gilesnis elektronų transporto fizikos supratimas, padedant pagrindą technologinei pažangai.

Nanometrinėje skalėje elektronai traktuojami ne kaip dalelės, o kaip bangos. Տեղափոխ Elektronai perduodami tuneliais. Kaip ir bangų paviršiaus bangos, taip ir elektronų bangos gali būti struktūriškai ardomos ar destruktyvios. Tai veda prie nelinijinių procesų. Pvz., Jei dvi bangos konstruktyviai trukdo, gaunama bangos amplitudė (arba aukštis) yra didesnė už dviejų nepriklausomų bangų sumą. Su destruktyvia intervencija du kanalai gali būti visiškai atšaukti.

„Tai, kad elektronai palaiko save, yra kvantinės mechanikos esmė“, – sakė Venkataramanas.

Kvantiniai mechaniniai poveikiai molekulinėje skalėje vyrauja elektronų pernašos atžvilgiu. Mokslininkai jau seniai prognozavo, kad netiesinis kvantinių trukdžių poveikis įgalintų vienos molekulės jungiklius su dideliais išjungimo koeficientais. Jei jie galėtų slopinti kvantines mechanines molekulių savybes, kad susidarytų grandinės elementai, jie galėtų įgalinti greitesnius, mažesnius ir energiją taupančius prietaisus, įskaitant jungiklius.

„Tranzistorių gamyba iš atskirų molekulių yra paskutinė skaidulos riba, ji gali leisti eksponentiškai greičiau apdoroti ir sumažinti energijos suvartojimą“, – sakė Venkataramanas. „Padaryti stabilius molekulinius prietaisus, galinčius palaikyti pasikartojančius perjungimo ciklus, yra nereikšminga užduotis. “Mūsų rezultatai atveria kelią molekulinių tranzistorių plėtrai.”

Bendra analogija yra galvoti apie tranzistorius kaip apie vamzdžio vožtuvą. Kai vožtuvas atidarytas, vamzdžiu teka vanduo. Kai jis uždarytas, vanduo yra užblokuotas. Tranzistoriuose vandens srautas pakeičiamas elektronų arba srovės srautu. Srautas yra tiesioginis. Išeinanti energija yra užblokuota. Idealiu atveju srauto kiekis išjungtoje būsenoje turėtų būti labai skirtingas. priešingu atveju tranzistorius yra kaip nesandarus vamzdis, kuriame sunku pasakyti, ar vožtuvas atidarytas, ar uždarytas. Kadangi tranzistoriai veikia kaip automatiniai jungikliai, pirmas žingsnis kuriant molekulinius tranzistorius yra suprojektuoti sistemas, kuriose galite pakeisti srovę tarp įjungimo ir išjungimo jungiklių. Tačiau dauguma ankstesnių konstrukcijų sukūrė nuotėkio tranzistorius, naudojančius trumpąsias molekules, kur skirtumas tarp išjungimo būsenos nebuvo reikšmingas.

Norėdami tai įveikti, Venkataramanas ir jo komanda susidūrė su daugybe kliūčių. Jų pagrindinis iššūkis buvo naudoti cheminio liejimo principus kuriant molekulines grandines, kuriose kvantinių trukdžių poveikis galėtų stipriai slopinti srovės srautą, taip palengvindamas nuotėkio problemas.

„Trumpomis molekulėmis sunku visiškai išjungti srovės srautą, nes didelė kvantinio mechaninio tunelio tikimybė tarp trumpesnio ilgio svarstyklių yra tikimybė“, – paaiškino Venkataramano laboratorijos tyrimo autorė Ven Ulia Greenwald. „Priešingai yra su ilgomis molekulėmis, kur dažnai būna sunku pasiekti didelės būsenos sroves, nes tunelio tikimybė yra suskirstyta pagal ilgį. Mūsų suprojektuotos grandinės yra unikalios dėl savo ilgio և didelio / išjungto santykio. Dabar mes galime pasiekti tiek dideles, tiek labai mažas nuotėkio sroves “.

Tanko įgula sukūrė savo prietaisus naudodama ilgas molekules, kurias sintezavo Ramsay chemijos katedros bendradarbis Peteris Skabara ir jo komanda. Glazgo universitetasIlgos molekulės lengvai įstringa tarp metalinių kontaktų, kad susidarytų vienos molekulės grandinės. Grandinės yra labai stabilios և gali atlaikyti kelias aukštas įtampas (daugiau nei 1,5 V). Elektroninė molekulių struktūra sustiprina trukdžių efektus, leisdama aiškų srovės netiesiškumą, priklausomai nuo naudojamos įtampos, o tai lemia labai didelį būsenos ir nevalstybinės srovės santykį.

Mokslininkai toliau bendradarbiauja su Glazgo universiteto komanda norėdami išsiaiškinti, ar jų projektavimo metodą galima pritaikyti kitoms molekulėms. Sukurkite sistemą, kurioje jungiklį galima valdyti išoriniu dirgikliu.

„Sukurti jungiklį iš vienos iš mūsų molekulių yra labai įdomus žingsnis iš apačios į viršų projektuojant medžiagas naudojant molekulines statybines medžiagas“, – sakė Greenwaldas. “Vienos molekulės elektroninių prietaisų, kurie yra grandinės dalis, kūrimas būtų išties transformuojantis”.

Apie tyrimą:

Tyrimas pavadintas „Labai nelinijinis transportas per atskirus molekulinius mazgus per destruktyvią kvantinę intervenciją“.

Autoriai yra: ia ulia E. Greenwaldas 1, Josephas Ozefas Cameronas 2, Neilas Findas. „Findlay 2“, Tian Fu 1, Sumanas Gunasekaranas 1, Peteris Sk. „Scabara 2“ – Lata Venkataraman 1,3.

1 chemijos katedra, Kolumbijos universitetas

2WestCHEM, Glazgo universiteto chemijos mokykla

Kolumbijos inžinerijos 3D taikomosios fizikos ir matematikos katedra

Tyrimą rėmė Nacionalinio mokslo fondo (NSF) absolventų mokslinių tyrimų stipendijos DGE-1644869, NSF stipendijos CHE-1764256, NSF DMR-1807580, Inžinerijos mokslo ir fizinių mokslų tyrimų taryba (EPSRC). Dotacijos EP / P02744X / 2 P EP / N035496 / 2,

Nuoroda. “Labai nelinijinis transportas per atskirus molekulinius mazgus, atliekant destruktyvią kvantinę intervenciją”. 2020 m. Gruodžio 7 d Gamtos nanotechnologijos,
DOI: 10.1038 / s41565-020-00807-x:

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pristatome 260 milijonų metų žmogžudystę

Anteozauro reinkarnacija užpuola žolėdį Moschognathus. Autorius: Alexas Bernardini (@SimplexPaleo) Kadangi manyta, kad jis sunkus, lėtas ir vangus, 260 milijonų metų senumo Anteosaurus buvo žiaurus...

Biokuras ir chemijos gamyba iš vaiko paslapčių

San Clemente salos ožka Elway gali daug ko išmokyti apie biologinį apdorojimą. Kreditas: UC Santa Barbara Pradedant biokuru ir kitomis cheminėmis medžiagomis, baigiant metano...

Dalelių fizikai problemą, vadinamą „persekiojimu“, sprendė daugiau nei 20 metų.

Iliustracija seka spindulio keliu, kai jis eina per stačiakampę, radijo dažnio, vario, magneto, juodojo dipolio ir modulinę matavimo sistemą ir į dalelių detektorių. ...

Kiek pavojinga yra nauja SARS-CoV-2 (COVID-19) viruso mutacija?

Darbas Ciklologijos ir imunologijos instituto (IVI) Aukšto saugumo laboratorijoje. Kreditas: © IVI Koks naujas mm pokytis. Balta Koronavirusas II su sunkiais kvėpavimo simptomais...

2D medžiagų paėmimas sukimui

„Spintronic“ skaičiavimo meno koncepcijos iliustracija. Tskubos universiteto Aukšto slėgio fizikos instituto mokslininkai kuria naują molibdeno disulfido tranzistorių, kuris sukuria elektronų sukimosi vaizdą, kuris galėtų atverti...

Newsletter

Subscribe to stay updated.