Visualisation à l'échelle atomique des jonctions monomoléculaires formées avec deux voies équivalentes (à gauche) et une voie (à droite), y compris la liaison aux pointes de deux électrodes en or et un schéma du circuit électrique externe.
(Phys.org)—Dans un article publié dans Nature Nanotechnologie le 2 septembre, 2012, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du DOE et des départements de chimie et de physique appliquée de l'Université Columbia explorent les lois qui régissent la conductance électronique dans les circuits à l'échelle moléculaire.
"Tous ceux qui ont travaillé avec des circuits électroniques de base savent qu'il existe des règles simples de la route, comme la loi d'Ohm, " explique le collaborateur Mark Hybertsen, un physicien au Centre de Brookhaven pour les nanomatériaux fonctionnels (CFN). Hybertsen a fourni la théorie pour modéliser le comportement du circuit observé avec les outils de calcul du CFN. "Depuis plusieurs années, nous posons des questions fondamentales pour sonder comment ces règles pourraient être différentes si le circuit électronique était réduit à l'échelle d'une seule molécule."
La conductance mesure le degré auquel un circuit conduit l'électricité. Dans un circuit simple, si vous branchez les résistances en parallèle, les électrons peuvent circuler par deux chemins différents. Dans ce cas, la conductance du circuit complet sera simplement la somme de la conductance de chaque résistance.
Cependant, dans un circuit moléculaire, les règles qui régissent le flux de courant font désormais intervenir la mécanique quantique fondamentale. Dans la plupart des circuits à molécule unique, les molécules ne se comportent pas comme des résistances classiques; au lieu, les électrons traversent la molécule. Lorsque la molécule offre deux voies en parallèle, le mouvement ondulatoire d'un électron peut changer radicalement la façon dont la conductance s'additionne. Pour plusieurs années, les experts en nanotechnologie ont suspecté, mais non prouvé, que les effets d'interférence quantique rendent la conductance d'un circuit à deux chemins jusqu'à quatre fois supérieure à la conductance d'un circuit à un seul chemin.
Afin d'étudier plus avant ces effets de la mécanique quantique, les scientifiques devaient construire leurs propres circuits nanométriques contrôlables. Travaillant avec le groupe de Ronald Breslow à Columbia, ils ont conçu et synthétisé une série de molécules à utiliser dans l'expérience.
« Créer un circuit de manière fiable à partir d'une seule molécule est vraiment difficile, " dit Latha Venkataraman, un professeur de physique appliquée de Columbia Engineering dont le groupe a perfectionné la méthode utilisée pour fabriquer les circuits moléculaires. "Imaginez essayer de toucher les deux extrémités d'une molécule qui ne fait que dix atomes de long."
Pour faire les circuits, Le groupe de Venkataraman a adapté un appareil de microscope à effet tunnel (STM) pour presser à plusieurs reprises une pointe en or pointue dans une autre électrode en or, puis la retirer. Lorsque cette jonction se brise, il y a un moment où l'écart entre les deux pièces d'or correspond parfaitement à la molécule. Une fois le système de circuit mis en place, la mesure de la conductance est rapide et peut être répétée des milliers de fois pour obtenir des données statistiquement fiables.
En utilisant cette approche, les scientifiques ont découvert que les molécules avec deux voies intégrées comme celle visualisée sur la figure à droite avaient une conductance supérieure à la somme de la conductance de chaque bras, bien que l'augmentation n'ait pas été aussi importante qu'ils l'avaient prévu. Afin de mieux comprendre cet effet, Hector Vasquez de Columbia a travaillé avec Hybertsen pour simuler informatiquement la transmission mécanique quantique d'un électron à travers chaque circuit.
"Les mesures et les simulations montrent que les molécules à deux chemins parallèles peuvent avoir une conductance supérieure à deux fois celle d'une molécule à un seul chemin, " a déclaré Hybertsen. "C'est la signature que l'effet d'interférence quantique joue un rôle."
Le groupe soupçonne que d'autres facteurs, telles que la nature de la liaison de la molécule aux électrodes, doivent être pris en compte lors du calcul de la conductance d'un circuit moléculaire. Ils étudient actuellement d'autres questions centrales sur l'électronique moléculaire, y compris comment l'appareil change lorsque différents métaux sont utilisés.
