Notant les progrès surprenants de la technologie des semi-conducteurs, Le cofondateur d'Intel, Gordon Moore, a proposé que le nombre de transistors sur une puce double chaque année, une observation qui a été confirmée depuis qu'il a fait la demande en 1965. Pourtant, il est peu probable que Moore ait pu prévoir l'étendue de la révolution électronique actuellement en cours.

Aujourd'hui, une nouvelle génération d'appareils, possédant des propriétés uniques, en développement. Alors que l'ultra-miniaturisation se poursuit à un rythme soutenu, les chercheurs ont commencé à explorer l'intersection des propriétés physiques et chimiques se produisant à l'échelle moléculaire.

Les progrès dans ce domaine en évolution rapide pourraient améliorer les dispositifs de stockage de données et de traitement de l'information et aider au développement de commutateurs moléculaires, entre autres nouveautés.

Nongjian "NJ" Tao et ses collaborateurs ont récemment décrit une série d'études sur la conductance électrique à travers des molécules uniques. Créer de l'électronique à cette échelle infinitésimale présente de nombreux défis. Dans le monde de l'ultra-minuscule, les propriétés particulières du monde quantique dominent. Ici, les électrons circulant sous forme de courant se comportent comme des ondes et sont soumis à un phénomène connu sous le nom d'interférence quantique. La capacité de manipuler ce phénomène quantique pourrait aider à ouvrir la porte à de nouveaux dispositifs nanoélectroniques aux propriétés inhabituelles.

"Nous ne sommes pas seulement intéressés à mesurer les phénomènes quantiques dans des molécules uniques, mais aussi les contrôler. Cela nous permet de comprendre le transport de charge de base dans les systèmes moléculaires et d'étudier de nouvelles fonctions de l'appareil, " dit Tao.

Tao est le directeur du Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. Dans les recherches publiées dans la revue Matériaux naturels , Tao et ses collègues du Japon, La Chine et le Royaume-Uni décrivent des expériences dans lesquelles une seule molécule organique est suspendue entre une paire d'électrodes alors qu'un courant traverse la minuscule structure.

Les chercheurs explorent les propriétés de transport de charge à travers les molécules. Ils ont démontré qu'une propriété ondulatoire fantomatique des électrons - connue sous le nom d'interférence quantique - peut être modulée avec précision dans deux configurations différentes de la molécule, connu sous le nom de Para et Meta.

Il s'avère que les effets d'interférence quantique peuvent provoquer une variation substantielle des propriétés de conductance des dispositifs à l'échelle moléculaire. En contrôlant l'interférence quantique, le groupe a montré que la conductance électrique d'une seule molécule peut être affinée sur deux ordres de grandeur. Le contrôle précis et continu des interférences quantiques est considéré comme un ingrédient clé du développement futur de l'électronique à grande échelle moléculaire, fonctionnant à grande vitesse et à faible puissance.

De tels dispositifs à molécule unique pourraient potentiellement agir comme des transistors, fils, redresseurs, des commutateurs ou des portes logiques et peuvent trouver leur place dans des applications futuristes, y compris les dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID), cryptographie quantique, et l'informatique quantique.

Pour l'étude en cours, les molécules - des hydrocarbures annulaires pouvant apparaître sous différentes configurations - ont été utilisées, car ils sont parmi les candidats les plus simples et les plus polyvalents pour modéliser le comportement de l'électronique moléculaire et sont idéaux pour observer les effets d'interférence quantique à l'échelle nanométrique.

Afin de sonder la façon dont la charge se déplace à travers une seule molécule, des mesures dites de jonction de rupture ont été effectuées. Les tests impliquent l'utilisation d'un microscope à effet tunnel ou STM. La molécule à l'étude est placée entre un substrat en or et la pointe en or du dispositif STM. La pointe du STM est amenée et hors de contact à plusieurs reprises avec la molécule, rompre et reformer la jonction pendant que le courant traverse chaque borne.

Des milliers de traces de conductance par rapport à la distance ont été enregistrées, avec les propriétés moléculaires particulières des deux molécules utilisées pour les expériences modifiant le flux d'électrons à travers la jonction. Les molécules de la configuration 'Para' ont montré des valeurs de conductance plus élevées que les molécules de la forme 'Meta', indiquant une interférence quantique constructive vs destructive dans les molécules.

En utilisant une technique connue sous le nom de gating électrochimique, les chercheurs ont pu contrôler en continu la conductance sur deux ordres de grandeur. Autrefois, la modification des propriétés d'interférence quantique nécessitait des modifications de la molécule porteuse de charge utilisée pour le dispositif. L'étude actuelle marque la première occasion de régulation de la conductance dans une seule molécule.

Comme le notent les auteurs, la conductance à l'échelle moléculaire est sensiblement affectée par l'interférence quantique impliquant les orbitales électroniques de la molécule. Spécifiquement, l'interférence entre l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée ou HOMO et l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse ou LUMO semble être le déterminant dominant de la conductance dans les molécules individuelles. En utilisant une tension de grille électrochimique, l'interférence quantique dans les molécules pourrait être délicatement réglée.

Les chercheurs ont pu démontrer une bonne concordance entre les calculs théoriques et les résultats expérimentaux, indiquant que les contributions HOMO et LUMO à la conductance étaient additives pour les molécules Para, entraînant une interférence constructive, et soustractif pour Meta, conduisant à des interférences destructrices, tout comme les vagues dans l'eau peuvent se combiner pour former une vague plus grande ou s'annuler, en fonction de leur phase.

Alors que les calculs théoriques précédents du transport de charge à travers des molécules simples avaient été effectués, la vérification expérimentale a dû attendre un certain nombre d'avancées en nanotechnologie, microscopie à sonde à balayage, et des procédés pour former des connexions électriquement fonctionnelles de molécules à des surfaces métalliques. Maintenant, avec la capacité de modifier subtilement la conductance grâce à la manipulation d'interférences quantiques, le domaine de l'électronique moléculaire est ouvert à un large éventail d'innovations.