Des chercheurs, dirigé par le professeur d'ingénierie de Columbia Latha Venkataraman, rapportent aujourd'hui qu'ils ont découvert un nouveau principe de conception chimique pour exploiter les interférences quantiques destructrices. Ils ont utilisé leur approche pour créer un commutateur à molécule unique de six nanomètres où le courant à l'état passant est supérieur à 10, 000 fois supérieur au courant à l'état bloqué, le plus grand changement de courant obtenu pour un circuit à molécule unique à ce jour.

Ce nouveau commutateur repose sur un type d'interférence quantique qui n'a pas, jusqu'à maintenant, été exploré. Les chercheurs ont utilisé de longues molécules avec une unité centrale spéciale pour améliorer les interférences quantiques destructrices entre différents niveaux d'énergie électronique. Ils ont démontré que leur approche peut être utilisée pour produire des commutateurs à molécule unique très stables et reproductibles à température ambiante qui peuvent transporter des courants supérieurs à 0,1 microampères à l'état passant. La longueur du commutateur est similaire à la taille des plus petites puces informatiques actuellement sur le marché et ses propriétés se rapprochent de celles des commutateurs commerciaux. L'étude est publiée aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .

"Nous avons observé le transport à travers un fil moléculaire de six nanomètres, ce qui est remarquable car le transport à travers de telles échelles de longueur est rarement observé, " dit Venkataraman, Lawrence Gussman professeur de physique appliquée, professeur de chimie, et vice-recteur aux affaires professorales. "En réalité, c'est la molécule la plus longue que nous ayons jamais mesurée dans notre laboratoire. »

Au cours des 45 dernières années, des diminutions constantes de la taille des transistors ont permis des améliorations spectaculaires du traitement informatique et des tailles de dispositifs de plus en plus réduites. Les smartphones d'aujourd'hui contiennent des centaines de millions de transistors en silicium. Cependant, les méthodes actuelles de fabrication des transistors approchent rapidement des limites de taille et de performances du silicium. Donc, si le traitement informatique doit progresser, les chercheurs doivent développer des mécanismes de commutation pouvant être utilisés avec de nouveaux matériaux.

Venkataraman est à la pointe de l'électronique moléculaire. Son laboratoire mesure les propriétés fondamentales des dispositifs à molécule unique, cherchant à comprendre l'interaction de la physique, chimie, et l'ingénierie à l'échelle nanométrique. Elle s'intéresse particulièrement à une meilleure compréhension de la physique fondamentale du transport des électrons, tout en jetant les bases des avancées technologiques.

A l'échelle nanométrique, les électrons se comportent comme des ondes plutôt que comme des particules et le transport des électrons se fait par effet tunnel. Comme des vagues à la surface de l'eau, les ondes électroniques peuvent interférer de manière constructive ou interférer de manière destructive. Il en résulte des processus non linéaires. Par exemple, si deux ondes interfèrent de manière constructive, l'amplitude (ou hauteur) de l'onde résultante est supérieure à la somme des deux ondes indépendantes. Deux ondes peuvent être complètement annulées avec des interférences destructrices.

"Le fait que les électrons se comportent comme des ondes est l'essence de la mécanique quantique, " a noté Venkataraman.

A l'échelle moléculaire, les effets de la mécanique quantique dominent le transport des électrons. Les chercheurs prédisent depuis longtemps que les effets non linéaires produits par les interférences quantiques devraient permettre des commutateurs à molécule unique avec de grands rapports marche/arrêt. S'ils pouvaient exploiter les propriétés mécaniques quantiques des molécules pour fabriquer des éléments de circuit, ils pourraient permettre plus rapidement, plus petite, et des appareils plus économes en énergie, y compris les interrupteurs.

"La fabrication de transistors à partir de molécules uniques représente la limite ultime en termes de miniaturisation et a le potentiel de permettre un traitement exponentiellement plus rapide tout en diminuant la consommation d'énergie, " a déclaré Venkataraman. " Fabriquer des dispositifs à molécule unique qui sont stables et capables de supporter des cycles de commutation répétés est une tâche non triviale. Nos résultats ouvrent la voie à la fabrication de transistors à molécule unique."

Une analogie courante consiste à considérer les transistors comme une vanne sur un tuyau. Lorsque la vanne est ouverte, l'eau s'écoule dans le tuyau. Quand il est fermé, l'eau est bloquée. Dans les transistors, le flux d'eau est remplacé par le flux d'électrons, ou courant. Dans l'état activé, le courant circule. A l'état désactivé, le courant est bloqué. Idéalement, la quantité de courant circulant dans les états marche et arrêt doit être très différente ; autrement, le transistor est comme un tuyau qui fuit où il est difficile de dire si la vanne est ouverte ou fermée. Puisque les transistors fonctionnent comme des commutateurs, une première étape dans la conception de transistors moléculaires consiste à concevoir des systèmes dans lesquels vous pouvez basculer le flux de courant entre un état activé et désactivé. La plupart des conceptions passées, cependant, ont créé des transistors à fuite en utilisant des molécules courtes où la différence entre l'état passant et l'état bloqué n'était pas significative.

Pour surmonter cela, Venkataraman et son équipe ont fait face à un certain nombre d'obstacles. Leur principal défi était d'utiliser les principes de conception chimique pour créer des circuits moléculaires où les effets d'interférence quantique pourraient fortement supprimer le courant à l'état bloqué, atténuant ainsi les problèmes de fuite.

"Il est difficile de désactiver complètement le flux de courant dans les molécules courtes en raison de la plus grande probabilité d'effet tunnel quantique sur des échelles de longueur plus courtes", a expliqué Julia Greenwald, auteure principale de l'étude, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Venkataraman. "L'inverse est vrai pour les molécules longues, où il est souvent difficile d'obtenir des courants à l'état passant élevés car la probabilité de tunneling décroît avec la longueur. Les circuits que nous avons conçus sont uniques en raison de leur longueur et de leur grand rapport marche/arrêt; nous sommes maintenant en mesure d'obtenir à la fois un courant à l'état passant élevé et un courant à l'état bloqué très faible."

L'équipe de Venkataraman a créé ses appareils en utilisant de longues molécules synthétisées par le collaborateur Peter Skabara, Chaire de chimie Ramsay, et son groupe à l'Université de Glasgow. Les longues molécules sont faciles à piéger entre les contacts métalliques pour créer des circuits à molécule unique. Les circuits sont très stables et peuvent supporter à plusieurs reprises des tensions appliquées élevées (supérieures à 1,5 V). La structure électronique des molécules renforce les effets d'interférence, permettant une non-linéarité prononcée du courant en fonction de la tension appliquée, ce qui conduit à un très grand rapport entre le courant à l'état passant et le courant à l'état bloqué.

Les chercheurs continuent de travailler avec l'équipe de l'Université de Glasgow pour voir si leur approche de conception peut être appliquée à d'autres molécules, et développer un système où le commutateur peut être déclenché par un stimulus externe.

"Notre construction d'un commutateur à partir d'une seule molécule est une étape très excitante vers la conception ascendante de matériaux utilisant des blocs de construction moléculaires, " a déclaré Greenwald. " Construire des appareils électroniques avec des molécules uniques agissant comme composants de circuit serait vraiment transformateur. "

L'étude s'intitule « Transport hautement non linéaire à travers des jonctions à molécule unique via une interférence quantique destructrice ».