مهار خصوصیات کوانتومی برای ایجاد دستگاههای تک مولکولی

0
Harnessing quantum properties to create single-molecule devices
نوع جدید تداخل کوانتومی سوئیچ تک مولکولی را با نسبت روشن / خاموش زیاد امکان پذیر می کند. اعتبار: جولیا گرین والد و سومان گوناسکاران / مهندسی کلمبیا

محققان به سرپرستی استاد مهندسی کلمبیا ، لاتا ونکاتارامان ، امروز گزارش دادند که آنها یک اصل جدید طراحی شیمیایی را برای بهره برداری از تداخل کوانتومی مخرب کشف کرده اند. آنها از رویکرد خود برای ایجاد یک سوئیچ تک مولکولی شش نانومتری استفاده کردند که جریان روشن بیش از ۱۰ هزار برابر بیشتر از جریان خاموش باشد – بزرگترین تغییر در جریان یک مدار تک مولکولی تا به امروز.

این کلید جدید به نوعی تداخل کوانتومی متکی است که تاکنون مورد کاوش قرار نگرفته است. محققان از مولکول های طولانی با یک واحد مرکزی خاص برای افزایش تداخل کوانتومی مخرب بین سطوح مختلف انرژی الکترونیکی استفاده کردند. آنها نشان دادند که از روش آنها می توان برای تولید سوئیچ های تک مولکولی بسیار پایدار و قابل تولید در دمای اتاق استفاده کرد که می تواند جریان های بیش از ۰٫۱ میکرو آمپر را در حالت حامل حمل کند. طول سوئیچ شبیه به کوچکترین تراشه های رایانه ای موجود در بازار است و ویژگی های آن به سوئیچ های تجاری نزدیک می شود. این مطالعه امروز در فناوری نانو طبیعت منتشر شده است.

“ما حمل و نقل را از طریق یک سیم مولکولی شش نانومتری مشاهده کردیم ، که قابل توجه است زیرا حمل و نقل در چنین مقیاس های طولی به ندرت مشاهده می شود” ، ونکتارامان ، استاد فیزیک کاربردی لورنس گاسمن ، استاد شیمی و معاون دانشکده گفت: . “در حقیقت ، این طولانی ترین مولکولی است که تاکنون در آزمایشگاه خود اندازه گیری کرده ایم.”

طی ۴۵ سال گذشته ، کاهش مداوم اندازه ترانزیستور ، پیشرفت چشمگیری در پردازش رایانه و اندازه های دستگاه های رو به کاهش داشته است. تلفن های هوشمند امروز حاوی صدها میلیون ترانزیستور ساخته شده از سیلیکون است. با این حال ، روش های فعلی ساخت ترانزیستورها به سرعت به اندازه و عملکرد سیلیکون نزدیک می شوند. بنابراین ، اگر قرار است پردازش رایانه ای پیشرفت کند ، محققان باید مکانیزم های سوئیچینگ را ایجاد کنند که می تواند با مواد جدید استفاده شود.

ونکاتارامان در خط مقدم الکترونیک مولکولی است. آزمایشگاه وی ویژگی های اساسی دستگاه های تک مولکولی را اندازه گیری می کند و می خواهد تأثیر متقابل فیزیک ، شیمی و مهندسی را در مقیاس نانومتر درک کند. وی به ویژه علاقه مند است که درک عمیق تری از فیزیک اساسی انتقال الکترون داشته باشد ، در حالی که زمینه پیشرفت تکنولوژی را فراهم می کند.

در مقیاس نانومتری ، الکترون ها به جای داشتن ذرات مانند موج رفتار می کنند و انتقال الکترون از طریق تونل زنی اتفاق می افتد. مانند امواج روی سطح آب ، امواج الکترون می توانند به طور سازنده تداخل یا تداخل مخربی داشته باشند. این منجر به فرآیندهای غیرخطی می شود. به عنوان مثال ، اگر دو موج به طور سازنده تداخل داشته باشند ، دامنه (یا ارتفاع) موج حاصل بیش از مجموع دو موج مستقل است. با تداخل مخرب می توان دو موج را کاملاً لغو کرد.

ونکاتارامان خاطرنشان کرد: “این حقیقت که الکترونها به صورت موج رفتار می کنند ، جوهر مکانیک کوانتوم است.”

در مقیاس مولکولی ، تأثیرات مکانیکی کوانتوم بر انتقال الکترون مسلط است. محققان مدت ها پیش بینی می کردند که اثرات غیرخطی تولید شده توسط تداخل کوانتومی باید سوئیچ های تک مولکولی را با نسبت روشن / خاموش بزرگ امکان پذیر کند. اگر آنها بتوانند خواص مکانیکی کوانتوم مولکول ها را برای ساخت عناصر مدار مهار کنند ، می توانند دستگاه های سریع تر ، کوچکتر و کم مصرف تر ، از جمله سوئیچ ها را فعال کنند.

“ونکاتارامان” گفت: “ساخت ترانزیستور از مولکول های منفرد از نظر کوچک سازی حداکثر حد را نشان می دهد و این پتانسیل را دارد که با کاهش مصرف انرژی پردازش سریع تری را انجام دهد.” “ساخت دستگاههای تک مولکولی که پایدار باشند و بتوانند چرخه های مکرر سوئیچینگ را حفظ کنند یک کار غیر پیش پا افتاده است. نتایج ما راه را برای ساخت ترانزیستورهای تک مولکولی هموار می کند.”

یک تشبیه معمول این است که به ترانزیستورها مانند دریچه ای روی لوله فکر کنید. وقتی شیر باز است ، آب از طریق لوله جریان می یابد. وقتی بسته شد ، آب مسدود می شود. در ترانزیستورها ، جریان آب با جریان الکترون یا جریان جایگزین می شود. در حالت فعال ، جریان جریان می یابد. در حالت خاموش ، جریان مسدود شده است. در حالت ایده آل ، مقدار جریان جاری در حالتهای خاموش و روشن باید بسیار متفاوت باشد. در غیر این صورت ، ترانزیستور مانند یک لوله نشتی است که تشخیص باز یا بسته بودن شیر دشوار است. از آنجا که ترانزیستورها به عنوان سوئیچ عمل می کنند ، اولین قدم در طراحی ترانزیستورهای مولکولی طراحی سیستم هایی است که بتوانید جریان جریان را بین حالت روشن و خاموش تغییر دهید. با این وجود ، بیشتر طراحی های گذشته با استفاده از مولکول های کوتاه که تفاوت بین حالت روشن و خاموش بودن قابل توجه نبود ، ترانزیستورهای نشتی ایجاد کرده اند.

برای غلبه بر این ، ونکاتارامان و تیمش با موانع زیادی روبرو شدند. چالش اصلی آنها استفاده از اصول طراحی شیمیایی برای ایجاد مدارهای مولکولی بود که در آن اثرات تداخل کوانتومی می تواند جریان را در حالت خاموش به شدت سرکوب کند ، بنابراین مسائل نشتی را کاهش می دهد.

“خاموش کردن کامل جریان در مولکول های کوتاه به دلیل احتمال بیشتر تونل سازی مکانیکی کوانتوم در مقیاس های طول کوتاه تر دشوار است” ، جولیا گرینوالد ، دکتر دکتری ، سرپرست این مطالعه ، توضیح داد. دانشجو در آزمایشگاه Venkataraman. “عکس این مسئله برای مولکولهای طولانی صادق است ، جایی که دستیابی به جریانهای زیاد در حالت غالباً دشوار است زیرا احتمال تونل زنی با طول پوسیدگی می یابد. مدارهایی که ما طراحی کردیم به دلیل طول و نسبت زیاد خاموش و روشن بودن منحصر به فرد هستند ؛ اکنون قادر هستیم برای رسیدن به یک جریان زیاد در حالت بالا و یک جریان کم حالت بسیار کم. ”

تیم ونکاتارامان دستگاههای خود را با استفاده از مولکولهای طولانی ساخته شده توسط همکار پیتر اسکابارا ، رئیس رامسی شیمی و گروه وی در دانشگاه گلاسگو ایجاد کردند. به راحتی می توان مولکول های طولانی را در بین تماس های فلزی به دام انداخت و مدارهای تک مولکولی ایجاد کرد. مدارها بسیار پایدار هستند و می توانند ولتاژهای اعمال شده بالا (بیش از ۱٫۵ ولت) را به طور مکرر حفظ کنند. ساختار الکترونیکی مولکول ها اثرات تداخل را افزایش می دهد ، غیر خطی بودن جریان را به عنوان تابعی از ولتاژ اعمال شده امکان پذیر می کند ، که منجر به نسبت بسیار زیادی جریان جریان به حالت خاموش می شود.

محققان به کار با تیم دانشگاه گلاسگو ادامه می دهند تا ببینند آیا رویکرد طراحی آنها برای سایر مولکول ها نیز قابل استفاده است یا خیر و همچنین سیستمی را توسعه می دهند که سوئیچ بتواند توسط محرک خارجی ایجاد شود.
گرینوالد گفت: “ساخت یک سوئیچ از یک مولکول یک گام بسیار هیجان انگیز در جهت طراحی از پایین به بالا مواد با استفاده از بلوک های ساختاری مولکولی است.” “ساخت دستگاههای الکترونیکی با تک مولکول ها که به عنوان اجزای مدار عمل می کنند ، واقعاً دگرگون کننده خواهد بود.”

عنوان این تحقیق “انتقال بسیار غیرخطی از طریق اتصالات تک مولکولی از طریق تداخل کوانتومی مخرب است”.


محققان ابتدا برای ایجاد یک دیود تک مولکولی


اطلاعات بیشتر:
انتقال بسیار غیرخطی از طریق اتصالات تک مولکولی از طریق تداخل کوانتومی مخرب ، فناوری نانو طبیعت (۲۰۲۰). DOI: 10.1038 / s41565-020-00807-x ، www.nature.com/articles/s41565-020-00807-x

تهیه شده توسط
دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا

استناد :
مهار خصوصیات کوانتومی برای ایجاد دستگاههای تک مولکولی (۲۰۲۰ ، ۷ دسامبر)
بازیابی شده در ۷ دسامبر ۲۰۲۰
از https://phys.org/news/2020-12-harnessing-quantum-properties-single-molecule-devices.html

این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. جدا از هرگونه معامله عادلانه به منظور مطالعه خصوصی یا تحقیق ، هیچ
نسخه ممکن است بدون اجازه کتبی تولید شود. محتوای مذکور فقط به هدف اطلاع رسانی ایجاد شده است.

مطالب پیشنهادی

ممکن است شما دوست داشته باشید
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.