Une équipe de recherche internationale, qui comprend le professeur Enrique del Barco de l'Université de Floride centrale et Christian A. Nijhuis de l'Université nationale de Singapour, a trouvé un moyen de comprendre et de manipuler la transition des charges dans les jonctions moléculaires.

Une jonction moléculaire relie les molécules à deux électrodes métalliques, comme l'or. Pour que les électrons puissent traverser la jonction, ils doivent surmonter une barrière. Lorsque la température augmente, les électrons peuvent sauter par-dessus la barrière plus facilement.

Les transferts de charge dominent de nombreuses réactions chimiques, comme lorsque le fer rouille et brunit. Le fer perd des électrons, provoquant la rouille. Le fer est un métal, mais il en va de même pour les réactions moléculaires, connu sous le nom d'électrochimie. La science derrière le transfert de charge moléculaire est bien comprise dans le domaine de la chimie, et expliqué par la soi-disant théorie de Marcus.

Selon cette théorie, les vitesses de réaction moléculaire peuvent être ajustées en augmentant ou en diminuant la température (connu sous le nom de régime de Marcus direct). Cependant, dans certaines circonstances, la réaction peut être prise dans le régime de Marcus inversé, où la réaction devient insensible aux changements de température, et peut sauter sans franchir une barrière.

Les processus de transfert de charge deviennent également de plus en plus importants dans le domaine émergent de l'électronique moléculaire, où les scientifiques visent la plus petite échelle pour les circuits électriques, où les éléments de base de l'électronique moderne sont basés sur des molécules.

Un exemple en est les diodes moléculaires (dispositifs moléculaires capables de sélectionner le flux de courant de charge), qui sont d'une importance cruciale en tant que blocs de construction de base des circuits moléculaires - l'avenir de l'alimentation de notre électronique.

Le problème est que les scientifiques ont longtemps vu les diodes moléculaires se comporter dans l'un ou l'autre des deux régimes de Marcus d'une manière qu'ils ne comprenaient pas.

"Nous avons vu des molécules similaires se comporter de manière totalement différente, et des molécules très différentes se comportant de manière très similaire sans aucune raison apparente, " a déclaré del Barco. "C'est très surprenant à une époque où notre connaissance des jonctions moléculaires a considérablement progressé. Avec deux électrodes et une molécule entre les deux, la charge ne coule pas; ça saute. Mais il y a des moments où il montre une barrière, et d'autres fois non, et c'est ce que nous avons travaillé dur pour comprendre."

Travaillant en étroite collaboration avec son collègue à Singapour, l'équipe a expérimenté les champs électriques et la température pour voir comment la charge circule à travers différentes diodes moléculaires.

Finalement, ils ont trouvé une molécule qui leur a permis d'explorer les deux régimes de Marcus, en changeant à volonté sa dépendance à la température.

"C'est une percée. Si nous considérons cette molécule complexe comme deux unités différentes couplées ensemble, lorsque la charge saute dans une unité, il génère un champ électrique sur l'autre, et vice versa, " Del Barco a expliqué. " Cette porte électrique interne est proportionnelle à la quantité de charge dans la molécule dans son ensemble, dont il augmente avec la tension appliquée à l'appareil, et fait transiter la diode moléculaire entre les deux régimes de Marcus. C'est la première fois que nous voyons une telle transition dans l'électronique moléculaire."

Outre les implications importantes de cette découverte dans le domaine de la chimie, il s'avère que cette molécule représente le premier exemple moléculaire d'une double boîte quantique, avec un potentiel passionnant en physique. Cela met en perspective les systèmes moléculaires dans les technologies émergentes telles que l'information et le calcul quantiques.

Les points quantiques se comportent comme des atomes, mais avoir des niveaux d'énergie plus accessibles pour conduire l'électricité, faisant des points quantiques un moyen idéal pour alimenter les ordinateurs et autres appareils électroniques.

Le silicium est ce qui alimente nos smartphones et nos ordinateurs aujourd'hui. À l'avenir, l'électronique moléculaire peut offrir des fonctionnalités complémentaires au-delà de ce qui est possible avec le silicium. Le silicium a des limites, et ne peut pas aller aussi petit que l'électronique moléculaire. Del Barco dit à l'avenir, la technologie moléculaire sera utilisée en conjonction avec le silicium, pour créer de nouvelles applications électroniques.

Le travail de Del Barco et Nijuhuis, Publié dans Nature Nanotechnologie , contribuera à faire progresser la compréhension des technologies quantiques.