Pendant longtemps, la miniaturisation a été le mot magique en électronique. Dr Willi Auwaerter et professeur Johannes Barth, avec leur équipe de physiciens de la Technische Universitaet Muenchen (TUM), ont maintenant présenté un nouveau commutateur moléculaire dans la revue Nature Nanotechnologie . La position d'un seul proton dans un anneau de porphyrine d'un diamètre intérieur inférieur à un demi-nanomètre est déterminante pour la fonctionnalité du commutateur. Les physiciens peuvent définir quatre états distincts à la demande.

Les porphyines sont des molécules en forme d'anneau qui peuvent changer de structure de manière flexible, ce qui les rend utiles pour un large éventail d'applications. La tétraphénylporphyrine ne fait pas exception :elle aime prendre la forme d'une selle et n'est pas limitée dans sa fonctionnalité lorsqu'elle est ancrée à une surface métallique. La molécule contient une paire d'atomes d'hydrogène qui peuvent changer de position entre deux configurations chacun. A température ambiante, ce processus se déroule en continu à une vitesse extrêmement rapide.

Dans leur expérience, les scientifiques ont supprimé ce mouvement spontané en refroidissant l'échantillon. Cela leur a permis d'induire et d'observer l'ensemble du processus dans une seule molécule à l'aide d'un microscope à effet tunnel. Ce type de microscope est particulièrement bien adapté à la tâche car - contrairement à d'autres méthodes - il peut être utilisé non seulement pour déterminer les états initial et final, mais permet aussi aux physiciens de contrôler directement les atomes d'hydrogène. Dans une étape supplémentaire, ils ont retiré l'un des deux protons de l'intérieur de l'anneau de porphyrine. Le proton restant pourrait maintenant prendre n'importe laquelle des quatre positions. Un petit courant qui traverse la pointe fine du microscope stimule le transfert de protons, définir une configuration spécifique dans le processus.

Bien que les positions respectives des atomes d'hydrogène n'influencent ni la structure de base de la molécule ni sa liaison à la surface métallique, les états ne sont pas identiques. Cette petite mais significative différence, combiné au fait que le processus peut être répété arbitrairement, constitue la base d'un interrupteur dont l'état peut être modifié jusqu'à 500 fois par seconde. Un seul électron tunnelisé initie le transfert de protons.

Le commutateur moléculaire a une surface de seulement un nanomètre carré, ce qui en fait le plus petit commutateur mis en œuvre à ce jour. Les physiciens sont ravis de leur démonstration et sont également très heureux des nouvelles informations sur le mécanisme derrière le transfert de protons résultant de leur étude. Knud Seufert a joué un rôle clé dans ses expériences :« faire fonctionner un commutateur à quatre états en déplaçant un seul proton dans une molécule est vraiment fascinant et représente un véritable pas en avant dans les technologies à l'échelle nanométrique ».