Eksploitasi Properti Kuantum untuk Membuat Perangkat Molekul Tunggal – Sirkuit Panjang 6 Nanometer

Jenis interferensi kuantum baru memungkinkan untuk mengubah molekul dengan rasio hidup / mati yang tinggi. Kredit: Julia Greenwald dan Suman Gunasekaran / Columbia Engineering

Tim Columbia menemukan sirkuit molekul tunggal sepanjang 6 nanometer dengan rasio on / off yang sangat besar untuk interferensi kuantum; penelitian ini dapat mengaktifkan perangkat yang lebih cepat, lebih kecil, dan lebih hemat energi.

Para peneliti, dipimpin oleh profesor teknik Columbia Latha Venkataraman, hari ini melaporkan bahwa mereka telah menemukan prinsip baru konsepsi kimiawi untuk mengeksploitasi interferensi kuantum yang merusak. Mereka menggunakan pendekatan mereka untuk membuat sakelar molekul tunggal enam nanometer di mana arus dalam keadaan tersebut lebih dari 10.000 kali lebih besar daripada arus di luar keadaan – perubahan arus terbesar yang pernah dibuat untuk rangkaian molekul tunggal. sejauh ini.

Sakelar baru ini berubah menjadi jenis interferensi kuantum yang sejauh ini belum dieksplorasi. Para peneliti telah menggunakan molekul panjang dengan unit pusat khusus untuk memperkaya interferensi kuantum yang merusak antara berbagai tingkat energi elektronik. Mereka telah menunjukkan bahwa pendekatan mereka dapat digunakan untuk menghasilkan sakelar mono-molekul yang sangat stabil dan dapat direproduksi pada suhu kamar yang dapat membawa arus di atas 0,1 mikroampel dalam keadaan tersebut. Panjang sakelar serupa dengan ukuran chip komputer terkecil yang saat ini ada di pasaran dan propertinya mirip dengan sakelar komersial. Studi ini dipublikasikan hari ini di Nanoteknologi Alam.

“Kami telah mengamati pengangkutan melalui kawat molekuler enam nanometer, yang luar biasa karena pengangkutan melalui skala panjang seperti itu jarang diamati,” kata Venkataraman, Profesor Fisika Terapan Lawrence Gussman, Profesor Kimia, dan Wakil Rektor. untuk Urusan Fakultas. “Faktanya, ini adalah molekul terpanjang yang pernah kami ukur di lab kami.”

Selama 45 tahun terakhir, penurunan ukuran transistor yang stabil telah memungkinkan peningkatan dramatis dalam pemrosesan komputer dan ukuran perangkat yang terus menyusut. Ponsel cerdas saat ini berisi ratusan juta transistor yang terbuat dari silikon. Namun, metode pembuatan transistor saat ini dengan cepat mendekati batas ukuran dan kinerja silikon. Oleh karena itu, jika transformasi komputer ingin dilakukan, peneliti perlu mengembangkan mekanisme switching yang dapat digunakan dengan material baru.

Venkataraman berada di garis depan elektronika molekuler. Laboratoriumnya mengukur sifat dasar perangkat molekul tunggal, berusaha memahami interaksi fisika, kimia, dan teknik pada skala nano. Dia sangat tertarik untuk memiliki pengetahuan yang lebih dalam tentang fisika fundamental transpor elektron, sambil meletakkan dasar untuk kemajuan teknologi.

Pada skala nanometrik, elektron berperilaku seperti gelombang daripada partikel dan transpor elektron terjadi melalui penerowongan. Seperti gelombang di permukaan air, gelombang elektron dapat mengganggu secara konstruktif atau mengganggu secara destruktif. Ini menghasilkan proses nonlinier. Misalnya, jika dua gelombang mengganggu secara konstruktif, amplitudo (atau ketinggian) gelombang yang dihasilkan lebih besar daripada jumlah dua gelombang independen. Dua gelombang dapat sepenuhnya dibatalkan dengan gangguan yang merusak.

“Fakta bahwa elektron berperilaku seperti gelombang adalah inti dari mekanika kuantum,” kata Venkataraman.

Pada skala molekuler, efek mekanik kuantum mendominasi pengangkutan elektron. Para peneliti telah lama memperkirakan bahwa efek nonlinier yang dihasilkan oleh interferensi kuantum akan memungkinkan peralihan ke satu molekul dengan rasio on / off yang besar. Jika mereka dapat mengeksploitasi sifat mekanis kuantum molekul untuk membuat elemen sirkuit, mereka dapat mengaktifkan perangkat yang lebih cepat, lebih kecil, dan lebih hemat energi, termasuk sakelar.

“Membuat transistor dari molekul tunggal mewakili batas akhir dalam hal miniaturisasi dan memiliki potensi untuk memungkinkan pemrosesan yang lebih cepat secara eksponensial sambil mengurangi konsumsi energi,” kata Venkataraman. “Membuat perangkat menjadi molekul stabil yang mampu mempertahankan siklus peralihan berulang adalah tugas yang tidak mudah. Hasil kami membuka jalan menuju pembuatan transistor molekul tunggal. “

Sebuah analogi yang umum adalah menganggap transistor sebagai katup pada pipa. Saat katup terbuka, air mengalir melalui pipa. Saat ditutup, air tersumbat. Dalam transistor, aliran air digantikan oleh aliran elektron, atau arus. Di negara bagian, arus mengalir. Dalam keadaan keluar, arus diblokir. Idealnya, jumlah arus yang mengalir dalam kondisi on-off dan off harus sangat berbeda; sebaliknya transistor ibarat pipa bocor dimana sulit untuk mengetahui apakah valve terbuka atau tertutup. Karena transistor berfungsi sebagai sakelar, langkah pertama dalam merancang transistor molekuler adalah merancang sistem di mana Anda dapat mengubah aliran arus antara keadaan hidup dan mati. Kebanyakan desain sebelumnya, bagaimanapun, telah menciptakan transistor fuzzy menggunakan molekul pendek di mana perbedaan antara keadaan hidup dan mati tidak signifikan.

Untuk mengatasi hal tersebut, Venkataraman dan timnya menghadapi sejumlah kendala. Tantangan utama mereka adalah menggunakan prinsip-prinsip desain kimiawi untuk menciptakan sirkuit molekuler di mana efek interferensi kuantum dapat menekan arus dengan kuat dalam keadaan mati, sehingga mengurangi masalah kebocoran.

“Sulit untuk benar-benar mematikan aliran arus dalam molekul pendek karena kemungkinan lebih besar terowongan mekanis kuantum pada skala panjang yang lebih pendek,” jelas penulis utama studi Julia Greenwald, seorang mahasiswa doktoral di laboratorium. Venkataraman. “Kebalikannya berlaku untuk molekul panjang, di mana seringkali sulit untuk mendapatkan arus tinggi di atas keadaan karena kemungkinan terowongan berkurang seiring dengan panjangnya. Sirkuit yang telah kami rancang unik karena panjangnya dan rasio on / off yang besar; kita sekarang dapat mencapai arus tinggi di negara bagian dan arus rendah di luar negara bagian. “

Tim Venkataraman membuat perangkat mereka menggunakan molekul panjang yang disintesis oleh kolaborator Peter Skabara, Ketua Ramsay Chemistry, dan kelompoknya di Universitas Glasgow. Molekul panjang mudah terperangkap di antara kontak logam untuk membuat sirkuit molekul tunggal. Sirkuit sangat stabil dan dapat menahan tegangan yang diterapkan tinggi berulang kali (melebihi 1,5 V). Struktur elektronik molekul meningkatkan efek interferensi, memungkinkan pelafalan arus non-linier sebagai fungsi dari tegangan yang diberikan, yang mengarah ke rasio arus yang sangat besar dalam keadaan mati.

Para peneliti terus bekerja dengan tim Universitas Glasgow untuk melihat apakah pendekatan desain mereka dapat diterapkan pada molekul lain, dan untuk mengembangkan sistem di mana sakelar dapat diaktifkan oleh stimulus eksternal.

“Konstruksi kami tentang perubahan di luar satu molekul adalah langkah yang sangat menarik menuju konsepsi bottom-up bahan menggunakan blok bangunan molekul,” kata Greenwald. “Konstruksi perangkat elektronik dengan molekul tunggal yang bertindak sebagai komponen sirkuit akan sangat transformatif.”

Tentang Studi

Studi itu berjudul “Transpor sangat nonlinier melintasi persimpangan ke satu molekul melalui interferensi kuantum yang merusak.”

Penulisnya adalah: Julia E. Greenwald 1, Joseph Cameron 2, Neil J. Findlay 2, Tianren Fu 1, Suman Gunasekaran 1, Peter J. Skabara 2, dan Latha Venkataraman 1.3?

1Departemen Kimia, Universitas Columbia

2WestCHEM, Sekolah Kimia, Universitas Glasgow

Departemen Fisika dan Matematika Terapan, Teknik Columbia

Studi ini didukung oleh National Science Foundation (NSF) Research Fellowships DGE-1644869, NSF grant CHE-1764256, NSF DMR-1807580, Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) grant EP / P02744X / 2 dan EP / N035496 / 2.

Referensi: “Transportasi sangat nonlinier melalui persimpangan ke satu molekul melalui interferensi kuantum yang merusak.” 7 Desember 2020, Nanoteknologi Alam.
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

Diet junk food dapat meningkatkan risiko mengemudi berbahaya di antara pengemudi truk

Diet tidak sehat yang terkait dengan kelelahan yang lebih besar: Faktor kunci dalam peningkatan risiko kecelakaan, kata para peneliti. Pola makan yang tidak sehat dapat...

Fotosintesis buatan menjanjikan sumber energi yang bersih dan berkelanjutan

Manusia dapat melakukan banyak hal yang tidak dapat dilakukan oleh tumbuhan. Kita bisa berjalan, berbicara, mendengarkan, melihat dan menyentuh. Tetapi tanaman memiliki...

Es laut di pantai Arktik menipis secepat yang saya kira

Es Arktik yang menurun bisa dibilang salah satu korban terbesar perubahan iklim, dan dampaknya sangat luas, dari keadaan beruang kutub yang ikonik dan satwa...

Dinosaurus terbesar di Australia – “Titan Selatan” – baru saja memasuki buku rekor!

Kolaborasi Australia, "Titan Cooper Selatan." Penulis: Vlad Konstantinov, Scott Hoknul © Museum Sejarah Alam Eromanga Apa lapangan basket yang lebih tinggi dari b-double, dan...

Maju dengan roket SLS Moon raksasa, pertemuan dekat dengan Ganymede dan gerhana cincin api

Inti roket Space Launch System (SLS) seberat 188.000 pon telah naik ke peluncur bergerak, di antara dua pendorong roket padat. Kredit: NASA Bergerak maju...

Newsletter

Subscribe to stay updated.