哥伦比亚大学工程和应用科学学院 新型量子干涉使单分子开关具有高开关比
学分:茱莉亚·格林沃尔德和苏曼·古纳斯卡兰/哥伦比亚工程学院 由哥伦比亚大学工程学教授莱莎·文卡塔拉曼领导的研究人员今天报告说，他们发现了一种利用破坏性量子干涉的新化学设计原理
他们用他们的方法创造了一个6纳米的单分子开关，其中开态电流是关态电流的10000多倍——这是单分子电路迄今为止实现的最大电流变化
这种新的开关依赖于一种量子干涉，这种干涉到目前为止还没有被探索过
研究人员使用带有特殊中心单元的长分子来增强不同电子能级之间的破坏性量子干涉
他们证明了他们的方法可以用于在室温下产生非常稳定和可重复的单分子开关，其电流可以超过0
1微安处于开启状态
开关的长度与目前市场上最小的计算机芯片的尺寸相似，其性能接近商用开关
这项研究发表在今天的《自然纳米技术》杂志上
“我们观察到了六纳米分子导线上的输运，这是很了不起的，因为很少观察到如此长长度尺度上的输运，”应用物理学教授、化学教授、教务长助理劳伦斯·古斯斯曼(Lawrence Gussman)说
“事实上，这是我们在实验室测量过的最长的分子
" 在过去的45年里，晶体管尺寸的稳步减小使得计算机处理和不断缩小的器件尺寸得到了显著的改善
今天的智能手机包含数亿个由硅制成的晶体管
然而，目前制造晶体管的方法正迅速接近硅的尺寸和性能极限
因此，如果计算机处理要进步，研究人员需要开发可用于新材料的转换机制
文卡塔拉曼处于分子电子学的前沿
她的实验室测量单分子器件的基本特性，试图在纳米尺度上理解物理、化学和工程的相互作用
她特别感兴趣的是对电子传输的基础物理有更深入的了解，同时为技术进步打下基础
在纳米尺度上，电子表现为波而不是粒子，电子传输通过隧穿发生
像水面上的波一样，电子波可以相长干涉或相消干涉
这导致非线性过程
例如，如果两个波相长干涉，产生的波的振幅(或高度)大于两个独立波的总和
两个波可以通过相消干涉完全抵消
“电子表现为波的事实是量子力学的本质，”文卡塔拉曼指出
在分子尺度上，量子力学效应主导着电子传输
研究人员早就预测，量子干涉产生的非线性效应应该能够实现具有大开/关比的单分子开关
如果他们能利用分子的量子力学特性来制造电路元件，他们就能制造更快、更小、更节能的设备，包括开关
文卡塔拉曼说:“用单分子制造晶体管代表了小型化的极限，并有可能在降低功耗的同时实现指数级的快速处理。”
“制造稳定的单分子器件并能够维持重复的开关周期是一项不平凡的任务
我们的结果为制造单分子晶体管铺平了道路
" 一个常见的类比是把晶体管想象成管道上的阀门
当阀门打开时，水流过管道
当它关闭时，水就被堵住了
在晶体管中，水流被电子流或电流所取代
在导通状态下，电流流动
在关闭状态，电流被阻断
理想情况下，导通和关断状态下的电流量必须非常不同；否则，晶体管就像一根漏水的管子，很难判断阀门是开着还是关着
由于晶体管的功能相当于开关，设计分子晶体管的第一步是设计一个系统，在这个系统中，你可以在开关状态之间切换电流
然而，大多数过去的设计都是通过使用短分子来制造漏极晶体管，其中开态和关态之间的差异并不显著
为了克服这一点，文卡塔拉曼和她的团队面临许多障碍
他们的主要挑战是使用化学设计原理来创造分子电路，其中量子干涉效应可以强烈抑制关闭状态下的电流，从而减轻泄漏问题
“很难完全关闭短分子中的电流，因为在较短的长度尺度上量子力学隧穿的可能性更大，”该研究的主要作者朱莉娅·格林沃尔德博士解释说
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文卡塔拉曼实验室的学生
“对于长分子来说，情况正好相反，因为隧穿概率随长度衰减，所以通常很难获得高的开态电流
我们设计的电路是独一无二的，因为它们的长度和大的开/关比；我们现在能够实现高导通状态电流和非常低的截止状态电流
" 文卡塔拉曼的团队利用合作者彼得·斯卡巴拉、拉姆齐化学主席和他在格拉斯哥大学的团队合成的长分子创造了他们的设备
长分子很容易夹在金属触点之间，形成单分子电路
电路非常稳定，可以反复承受高电压(超过1
5伏)
分子的电子结构增强了干涉效应，使得电流的显著非线性成为所施加电压的函数，这导致了非常大的开态电流与关态电流的比率
研究人员正在继续与格拉斯哥大学的团队合作，看看他们的设计方法是否可以应用于其他分子，并开发一个系统，在该系统中，开关可以由外部刺激触发
格林沃尔德说:“我们用单个分子制造开关是朝着使用分子积木进行自下而上的材料设计迈出的令人兴奋的一步。”
“用单个分子作为电路元件来制造电子设备将是真正的变革
" 这项研究的题目是“通过破坏性量子干涉实现单分子结的高度非线性传输”
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