Los investigadores, dirigidos por la profesora de ingeniería de Columbia Latha Venkataraman, informan hoy que han descubierto un nuevo principio de diseño químico para explotar la interferencia cuántica destructiva. Usaron su enfoque para crear un interruptor de una sola molécula de seis nanómetros donde la corriente en estado estámás de 10.000 veces mayor que la corriente en estado desactivado: el mayor cambio de corriente logrado hasta la fecha para un circuito de una sola molécula.
Este nuevo interruptor se basa en un tipo de interferencia cuántica que hasta ahora no se ha explorado. Los investigadores utilizaron moléculas largas con una unidad central especial para mejorar la interferencia cuántica destructiva entre diferentes niveles de energía electrónica. Demostraron que su enfoque puedeser utilizado para producir interruptores de una sola molécula muy estables y reproducibles a temperatura ambiente que pueden transportar corrientes superiores a 0,1 microamperios en el estado encendido. La longitud del interruptor es similar al tamaño de los chips de computadora más pequeños actualmente en el mercado y sus propiedadesacercarse a los de los interruptores comerciales. El estudio se publica hoy en Nanotecnología de la naturaleza .
"Observamos transporte a través de un cable molecular de seis nanómetros, lo cual es notable ya que rara vez se observa el transporte a través de escalas de longitud tan larga", dijo Venkataraman, profesor de Física Aplicada Lawrence Gussman, profesor de química y vicerrector de Asuntos de la Facultad."De hecho, esta es la molécula más larga que jamás hayamos medido en nuestro laboratorio".
Durante los últimos 45 años, las disminuciones constantes en el tamaño de los transistores han permitido mejoras dramáticas en el procesamiento de computadoras y tamaños de dispositivos cada vez más pequeños. Los teléfonos inteligentes de hoy contienen cientos de millones de transistores hechos de silicio. Sin embargo, los métodos actuales para hacer transistores se están acercando rápidamentelos límites de tamaño y rendimiento del silicio. Por lo tanto, para que el procesamiento informático avance, los investigadores deben desarrollar mecanismos de conmutación que se puedan utilizar con nuevos materiales.
Venkataraman está a la vanguardia de la electrónica molecular. Su laboratorio mide las propiedades fundamentales de los dispositivos de una sola molécula, buscando comprender la interacción de la física, la química y la ingeniería a escala nanométrica. Está particularmente interesada en obtener una comprensión más profunda de losfísica fundamental del transporte de electrones, al tiempo que sienta las bases para los avances tecnológicos.
A escala nanométrica, los electrones se comportan como ondas en lugar de partículas y el transporte de electrones se produce a través de un túnel. Al igual que las ondas en la superficie del agua, las ondas de electrones pueden interferir de forma constructiva o destructiva. Esto da como resultado procesos no lineales. Por ejemplo, si dos ondasinterfieren constructivamente, la amplitud o altura de la onda resultante es mayor que la suma de las dos ondas independientes. Dos ondas pueden cancelarse completamente con interferencia destructiva.
"El hecho de que los electrones se comporten como ondas es la esencia de la mecánica cuántica", señaló Venkataraman.
A escala molecular, los efectos de la mecánica cuántica dominan el transporte de electrones. Los investigadores han predicho durante mucho tiempo que los efectos no lineales producidos por la interferencia cuántica deberían permitir interruptores de una sola molécula con grandes relaciones de encendido / apagado. Si pudieran aprovechar las propiedades de la mecánica cuántica de las moléculas parahacer elementos de circuito, podrían habilitar dispositivos más rápidos, más pequeños y más eficientes energéticamente, incluidos los interruptores.
"Hacer transistores a partir de moléculas individuales representa el límite máximo en términos de miniaturización y tiene el potencial de permitir un procesamiento exponencialmente más rápido al tiempo que disminuye el consumo de energía", dijo Venkataraman. "Hacer dispositivos de una sola molécula que sean estables y capaces de sostener conmutaciones repetidasciclos es una tarea no trivial. Nuestros resultados allanan el camino hacia la fabricación de transistores de una sola molécula ".
Una analogía común es pensar en los transistores como una válvula en una tubería. Cuando la válvula está abierta, el agua fluye a través de la tubería. Cuando está cerrada, el agua está bloqueada. En los transistores, el flujo de agua se reemplaza con el flujode electrones, o corriente. En el estado encendido, la corriente fluye. En el estado apagado, la corriente está bloqueada. Idealmente, la cantidad de corriente que fluye en los estados encendido y apagado debe ser muy diferente; de lo contrario, el transistor escomo una tubería con fugas donde es difícil saber si la válvula está abierta o cerrada. Dado que los transistores funcionan como interruptores, un primer paso en el diseño de transistores moleculares es diseñar sistemas en los que pueda alternar el flujo de corriente entre un estado encendido y apagado.La mayoría de los diseños anteriores, sin embargo, han creado transistores con fugas mediante el uso de moléculas cortas donde la diferencia entre el estado encendido y apagado no era significativa.
Para superar esto, Venkataraman y su equipo enfrentaron una serie de obstáculos. Su principal desafío fue utilizar principios de diseño químico para crear circuitos moleculares donde los efectos de interferencia cuántica podrían suprimir fuertemente la corriente en el estado apagado, mitigando así los problemas de fugas.
"Es difícil desconectar completamente el flujo de corriente en moléculas cortas debido a la mayor probabilidad de que se produzcan túneles mecánicos cuánticos en escalas de longitud más cortas", explicó la autora principal del estudio, Julia Greenwald, estudiante de doctorado en el laboratorio de Venkataraman. "Lo contrario es cierto paramoléculas largas, donde a menudo es difícil lograr altas corrientes en estado porque la probabilidad de tunelización decae con la longitud. Los circuitos que diseñamos son únicos debido a su longitud y su gran relación de encendido / apagado; ahora podemos lograr tanto un alto en-corriente de estado y corriente de estado desactivado muy baja. "
El equipo de Venkataraman creó sus dispositivos utilizando moléculas largas sintetizadas por el colaborador Peter Skabara, presidente de Ramsay de Química, y su grupo en la Universidad de Glasgow. Las moléculas largas son fáciles de atrapar entre contactos metálicos para crear circuitos de una sola molécula. Los circuitos son muyestable y puede sostener repetidamente altos voltajes aplicados superiores a 1,5 V. La estructura electrónica de las moléculas mejora los efectos de interferencia, lo que permite una no linealidad pronunciada en la corriente en función del voltaje aplicado, lo que conduce a una relación muy grande de corriente en estado acorriente fuera de estado.
Los investigadores continúan trabajando con el equipo de la Universidad de Glasgow para ver si su enfoque de diseño se puede aplicar a otras moléculas y para desarrollar un sistema en el que el cambio pueda ser activado por un estímulo externo.
"Nuestra construcción de un interruptor a partir de una sola molécula es un paso muy emocionante hacia el diseño de abajo hacia arriba de materiales utilizando bloques de construcción moleculares", dijo Greenwald. "La construcción de dispositivos electrónicos con moléculas individuales que actúan como componentes del circuito sería verdaderamente transformador".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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