استفاده از خواص کوانتومی برای ایجاد دستگاه های یک مولکولی – ScienceDaily


محققان به سرپرستی استاد مهندسی کلمبیا ، لاتا ونکاتارامان امروز اعلام کردند که با استفاده از تداخل کوانتومی مخرب ، اصل جدیدی در طراحی شیمیایی کشف کرده اند. آنها از رویکرد خود برای ایجاد یک سوئیچ شش نانومتری با وزن یک مولکول استفاده کردند که در آن جریان در این حالت بیش از 10 هزار برابر بیشتر از جریان خارج از کشور است – بزرگترین تغییر در جریان به دست آمده برای یک مدار تک مولکولی تا به امروز.

این کلید جدید به نوعی تداخل کوانتومی متکی است که تاکنون مورد مطالعه قرار نگرفته است. محققان از مولکول های طولانی با یک واحد مرکزی ویژه برای افزایش تداخل کوانتومی مخرب بین سطوح مختلف انرژی الکترونیکی استفاده کرده اند. آنها نشان دادند که از روش آنها می توان برای ایجاد سوئیچ های تک مولکولی بسیار پایدار و قابل تولید در دمای اتاق استفاده کرد که می تواند جریان های بالای 0.1 میکرو آمپر را در حالت روشن حمل کند. طول سوئیچ به اندازه کوچکترین تراشه های رایانه ای موجود در بازار است و ویژگیهای آن نزدیک به سوئیچهای تجاری است. این مطالعه امروز در ماهیت فناوری نانو.

ونكاتارامان ، استاد فیزیك كاربردی ، لارنس گوزمن ، استاد شیمی و معاون آموزشی دانشكده گفت: “ما حمل و نقل را از طریق یك سیم مولكولی شش نانومتری مشاهده كرده ایم كه قابل توجه است ، زیرا به ندرت دیده می شود كه از بین سنگهای طولانی حمل شود.” “این در واقع طولانی ترین مولکولی است که تاکنون در آزمایشگاه خود اندازه گیری کرده ایم.”

طی 45 سال گذشته ، کاهش مداوم اندازه ترانزیستور امکان پیشرفت چشمگیر در پردازش رایانه و اندازه رو به کاهش دستگاه ها را فراهم کرده است. تلفن های هوشمند امروز حاوی صدها میلیون ترانزیستور ساخته شده از سیلیکون است. با این حال ، روشهای مدرن 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.

Venkataraman پیشتاز الکترونیک مولکولی است. آزمایشگاه وی ویژگی های اساسی دستگاه های تک مولکولی را اندازه گیری می کند و می خواهد برهمکنش فیزیک ، شیمی و مهندسی را در مقیاس نانومتر درک کند. وی خصوصاً علاقه مند به درک عمیق تری از فیزیک اساسی حمل و نقل الکترونیکی است ، در حالی که پایه های پیشرفت فناوری را می گذارد.

در مقیاس نانومتر ، الکترون ها مانند موج رفتار می کنند نه ذرات ، و انتقال الکترونیکی از طریق تونل سازی صورت می گیرد. مانند امواج در سطح آب ، امواج الکترون می توانند به طور سازنده ای تداخل یا تخریب مخرب داشته باشند. این امر منجر به فرآیندهای غیرخطی می شود. به عنوان مثال ، اگر دو موج به طور سازنده تداخل داشته باشند ، دامنه (یا ارتفاع) موج حاصل از مجموع دو موج مستقل بیشتر است. با مداخله مخرب می توان دو موج را کاملاً لغو کرد.

ونکاتارامان گفت: “این واقعیت که الکترون ها مانند موج رفتار می کنند ، جوهر مکانیک کوانتوم است.”

در مقیاس مولکولی ، اثرات مکانیکی کوانتوم بر حمل و نقل الکترونیکی غالب است. مدت هاست که محققان پیش بینی کرده اند که اثرات غیرخطی تولید شده توسط تداخل کوانتومی باید به سوئیچ های تک مولکولی با نسبت روشن / خاموش زیاد اجازه دهد. اگر آنها بتوانند از خواص مکانیکی کوانتوم مولکول ها برای ساخت عناصر مدار استفاده کنند ، امکان دستگاه های سریع تر ، کوچکتر و با مصرف انرژی بیشتر ، از جمله سوئیچ ها را فراهم می کند.

ونکاتارامان گفت: “ساخت ترانزیستورهای تک مولکولی از نظر کوچک سازی حد نهایی را نشان می دهد و این امکان را دارد که ضمن کاهش مصرف انرژی امکان پردازش سریع تر را فراهم کند.” “طراحی دستگاههای تک مولکولی که پایدار باشند و بتوانند از چرخه های سوئیچینگ تکراری پشتیبانی کنند ، کاری غیر پیش پا افتاده است. نتایج ما زمینه را برای ایجاد ترانزیستورهایی با وزن یک مولکول هموار می کند.”

یک تشبیه معمول این است که ترانزیستورها را به عنوان یک شیر لوله در نظر بگیریم. وقتی شیر باز است ، آب از طریق لوله جریان می یابد. در صورت بسته شدن ، آب مسدود می شود. در ترانزیستورها ، جریان آب با جریان یا جریان الکترون جایگزین می شود. با روشن شدن جریان روشن است. در حالت خاموش ، جریان مسدود می شود. در حالت ایده آل ، مقدار جریان جاری در حالت روشن و خاموش باید بسیار متفاوت باشد. در غیر این صورت ترانزیستور مانند یک لوله در حال جریان است که درک باز یا بسته بودن شیر دشوار است. از آنجا که ترانزیستورها به عنوان کلید عمل می کنند ، اولین قدم در طراحی ترانزیستورهای مولکولی طراحی سیستم هایی است که بتوانید جریان جریان را بین آنها خاموش و روشن کنید. با این حال ، بیشتر پروژه های گذشته ترانزیستورهای در حال جریان را با استفاده از مولکول های کوتاه ایجاد کرده اند که در آنها تفاوت روشن و خاموش قابل توجه نیست.

برای غلبه بر این ، Venkataraman و تیمش با موانع زیادی روبرو هستند. چالش اصلی آنها استفاده از اصول طراحی شیمیایی برای ایجاد زنجیره های مولکولی بود که در آن اثرات تداخل کوانتومی می تواند جریان را در حالت خاموش به شدت سرکوب کند ، بنابراین مشکلات نشت را کاهش می دهد.

جولیا گرین والد ، نویسنده ارشد این مطالعه ، دانشجوی دکترای آزمایشگاه ونکاتارامان ، گفت: “به سختی می توان جریان فعلی مولکول های کوتاه را به دلیل احتمال بیشتر تونل سازی مکانیکی کوانتومی در سنگ های کوتاه تر ، رد کرد.” “برعکس این مورد در مورد مولکولهای طولانی وجود دارد ، جایی که دستیابی به جریانهای زیاد در یک حالت معمولاً دشوار است ، زیرا با افزایش طول تونل زنی کاهش می یابد. جریان زیاد در حالت و جریان بسیار کم خارج از حالت “.

تیم ونكاتارامان دستگاههای خود را با استفاده از مولكولهای طولانی ساخته شده توسط همكار پیتر اسكابارا ، رئیس شیمی رمزی و گروه وی در دانشگاه گلاسگو ایجاد كردند. مولکول های طولانی به راحتی بین تماس های فلزی گیر می افتند و زنجیره های تک مولکولی تشکیل می دهند. مدارها بسیار پایدار هستند و می توانند ولتاژهای اعمال شده بالا (بالای 1.5 ولت) را به طور مکرر حفظ کنند. ساختار الکترونیکی مولکولها اثرات تداخل را افزایش می دهد ، و به این ترتیب یک غیرخطی مشخص در جریان به عنوان تابعی از ولتاژ اعمال شده ایجاد می شود ، که منجر به نسبت بسیار زیادی از جریان موجود در حالت به جریان خارج از حالت می شود.

محققان به کار با تیم دانشگاه گلاسگو ادامه می دهند تا ببینند آیا می توان رویکرد طراحی آنها را برای سایر مولکول ها نیز به کار برد و یا سیستمی را توسعه می دهند که در آن سوئیچینگ توسط محرک خارجی ایجاد می شود.

گرین والد گفت: “ساخت یک سوئیچ تک مولکولی یک گام بسیار هیجان انگیز برای طراحی مواد از پایین به بالا با استفاده از بلوک های ساختاری مولکولی است.” “ساخت وسایل الکترونیکی با تک مولکول هایی که به عنوان اجزای یک زنجیره عمل می کنند ، واقعاً دگرگون کننده خواهد بود.”


منبع: packge-news.ir

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>