Využití kvantových vlastností k vytvoření jedno molekulárních zařízení. Kruh je dlouhý pouze 6 nanometrů

Nový typ kvantové interference umožňuje jediný molekulární přepínač s vysokým poměrem zapnutí a vypnutí. Půjčka: Julia Greenwald և Columbia Engineering

Kolumbijský tým objevil spojení jediné molekuly dlouhé 6 nanometrů s obrovským poměrem zapnutí / vypnutí kvůli kvantové interferenci. Detekce může umožnit rychlejší a menší zařízení šetřící energii.

Vědci pod vedením kolumbijského profesora inženýrství Lathy Venkataramana dnes tvrdí, že objevili nový princip chemického designu, který využívá destruktivní kvantové zásahy. Použili svůj přístup k vytvoření šestimetrového jedno molekulárního jističe, kde proud v proudu je více než 10 000krát větší než proud v proudu. Doposud největší změna proudu pro molekulární obvod.

Tento nový přepínač spoléhá na typ kvantové interference, která dosud nebyla prozkoumána. Vědci použili dlouhé molekuly se speciální centrální jednotkou k zesílení ničivé kvantové interference mezi různými úrovněmi elektronové energie. Ukázali, že jejich přístup by mohl být použit k výrobě vysoce stabilních, reprodukovatelných přepínačů s jednou molekulou při pokojové teplotě, které by mohly vést proudy větší než 0,1 mikromab. Délka přepínače je podobná velikosti nejmenších počítačových čipů aktuálně na trhu, jeho vlastnosti se blíží vlastnostem komerčních přepínačů. Studie byla dnes zveřejněna: Přírodní nanotechnologie,

„Viděli jsme transport pomocí molekulárního drátu o délce šesti nanometrů, což je pozoruhodné, protože transport v takové délce je vzácný,“ uvedl Venkataraman, Lawrence Guzman, profesor aplikované fyziky a viceprezident pro chemii. „Ve skutečnosti se jedná o nejdelší molekulu, jakou jsme kdy měřili v naší laboratoři.“

Trvalý pokles velikosti tranzistoru za posledních 45 let vedl k dramatickému zlepšení v oblasti počítačového zpracování – stále se zmenšujících velikostí zařízení. Dnešní smartphony obsahují stovky milionů tranzistorů vyrobených z křemíku. Současné metody výroby tranzistorů se však rychle blíží hranici velikosti křemíku. Pokud má být podporována recyklace počítačů, musí vědci vyvinout odpojovací mechanismy, které lze použít ve spojení s novými materiály.

Ventil je lídrem v molekulární elektronice. Jeho laboratoř měří základní vlastnosti molekulárních zařízení ve snaze porozumět interakci fyziky, chemie a inženýrství v měřítku nanometrů. Zejména se zajímá o hlubší pochopení základní fyziky elektronového transportu při položení základů pro technologický pokrok.

V měřítku nanometrů se s elektrony nepracuje jako s částicemi, ale jako s vlnami. Տեղափոխ Přenos elektronů se provádí tunelováním. Stejně jako povrchové vlny ve vlnách mohou být elektronové vlny strukturálně rušivé nebo destruktivní. To vede k nelineárním procesům. Například pokud dvě vlny konstruktivně interferují, výsledná amplituda (nebo výška) výsledné vlny je větší než součet dvou nezávislých vln. Pomocí destruktivního zásahu lze dva kanály úplně zrušit.

„Skutečnost, že elektrony mají své vlastní, je podstatou kvantové mechaniky,“ řekl Venkataraman.

Kvantové mechanické účinky v molekulárním měřítku převažují nad transportem elektronů. Vědci již dlouho předpovídali, že nelineární účinky kvantové interference by umožnily přepínání s jednou molekulou s velkými vypínacími koeficienty. Pokud by mohly inhibovat kvantově mechanické vlastnosti molekul za vzniku řetězových prvků, mohly by umožnit rychlejší, menší a energeticky účinnější zařízení, včetně přepínačů.

„Výroba tranzistorů z jednotlivých molekul představuje konečnou hranici z hlediska vláken, má potenciál umožnit exponenciálně rychlejší zpracování při současném snížení spotřeby energie,“ uvedl Venkataraman. „Výroba molekulárních zařízení, která jsou stabilní a schopná udržovat opakované spínací cykly, je vedlejším úkolem. „Naše výsledky připravují půdu pro vývoj molekulárních tranzistorů.“

Obecnou analogií je představa tranzistorů jako ventilu na trubici. Když je ventil otevřený, voda protéká potrubím. Když je zavřený, voda je ucpaná. V tranzistorech je tok vody nahrazen tokem elektronů nebo proudu. Tok je online. Odchozí napájení je blokováno. V ideálním případě by množství průtoku ve vypnutém stavu mělo být velmi odlišné. jinak je tranzistor jako netěsná trubice, kde je obtížné zjistit, zda je ventil otevřený nebo uzavřený. Protože tranzistory fungují jako jističe, prvním krokem při navrhování molekulárních tranzistorů je návrh systémů, kde můžete změnit proud mezi vypínači. Většina předchozích návrhů však vytvořila únikové tranzistory využívající krátké molekuly, kde rozdíl mezi vypínacím stavem nebyl významný.

Aby toho bylo možné překonat, čelil Venkataraman a jeho tým řadě překážek. Jejich hlavní výzvou bylo použít principy chemického lití k vytvoření molekulárních řetězců, kde by účinky kvantové interference mohly silně potlačit tok proudu, a tak zmírnit problémy s únikem.

„U krátkých molekul je obtížné úplně zastavit tok proudu z důvodu vysoké pravděpodobnosti kvantového mechanického tunelování mezi šupinami kratších délek,“ vysvětlil Ven Ulia Greenwald, hlavní autor studie v laboratoři Venkataraman. „Opak je pravdou pro dlouhé molekuly, kde je často obtížné dosáhnout proudů vysokých stavů, protože pravděpodobnost tunelování je rozdělena podle délky. Řetězy, které navrhujeme, jsou jedinečné díky svému poměru délky և velký / vypnutý. Nyní jsme schopni dosáhnout jak vysokých, tak velmi nízkých svodových proudů. “

Posádka tanku vytvořila svá zařízení pomocí dlouhých molekul syntetizovaných spolupracovníkem Peterem Skabarou, Ramsayovým předsedou chemie a jeho týmem. University of GlasgowDlouhé molekuly jsou snadno zachyceny mezi kovovými kontakty a vytvářejí řetězce s jednou molekulou. Obvody jsou velmi stabilní – vydrží několik vysokých napětí (více než 1,5 V). Elektronická struktura molekul zesiluje interferenční účinky tím, že umožňuje jasnou nelinearitu proudu jako funkci aplikovaného napětí, což má za následek velmi velký poměr stavového proudu k nestátnímu proudu.

Vědci pokračují ve spolupráci s týmem University of Glasgow, aby zjistili, zda lze jejich designový přístup použít na jiné molekuly. Vyvinout systém, kde lze přepínač ovládat externím podnětem.

„Stavba přechodu z jedné z našich molekul je velmi zajímavým krokem zdola nahoru při navrhování materiálů pomocí molekulárních stavebních materiálů,“ řekl Greenwald. „Budování jednokomolekulárních elektronických zařízení, která jsou součástí řetězce, by bylo skutečně transformační.“

O studii:

Studie má název „Velmi nelineární transport přes jednotlivé molekulární uzly prostřednictvím destruktivní kvantové intervence“.

Autoři jsou: mimo jiné E. Greenwald 1, Joseph Ozef Cameron 2, Neil Find. Findlay 2, Tian Fu 1, Suman Gunasekaran 1, Peter Sk. Scabara 2 և Lata Venkataraman 1,3.

1 předseda chemie, Columbia University

2WestCHEM, chemická škola University of Glasgow

3D Katedra aplikované fyziky a matematiky v Columbia Engineering

Výzkum podpořila stipendia National Science Foundation (NSF) Graduate Research Scholarships DGE-1644869, NSF Grants CHE-1764256, NSF DMR-1807580, Engineering Science and Physical Sciences Research Council (EPSRC) Grants EP / P02744X / 2 P EP / N035496 / 2,

Odkaz. „Velmi nelineární transport přes jednotlivé molekulární uzly destruktivním kvantovým zásahem.“ 7. prosince 2020 Přírodní nanotechnologie,
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

Naneste na krém Deep Heat

Podle Experimentální biologie 6. května 2021 Studie odhalila zvýšení aerobního výkonu u sportovců, kteří používali krém s hlubokým teplem bez lékařského předpisu. Hluboké tepelné krémy, které sportovci...

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Byly vyvinuty ploché nudle, které se při vaření transformují do tvaru

CMU Lab vede vývoj nudlí, které se při vaření transformují do tvaru. Fotografický kredit: Carnegie Mellon University Ploché nudle zajišťují udržitelnější balení, přepravu a...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Newsletter

Subscribe to stay updated.