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量子奇異性引發(fā)了新的電子設(shè)備產(chǎn)生！

2019-05-19 16:22 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

英特爾(Intel)聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾(Gordon Moore)注意到半導(dǎo)體技術(shù)的驚人進(jìn)步，他提出，芯片上的晶體管數(shù)量每年將增加一倍。自他1965年提出這一觀點(diǎn)以來，這一觀察結(jié)果就一直存在。然而，摩爾不太可能預(yù)見到目前電子革命的程度。

今天，一種具有獨(dú)特性能的新型裝置正在研制中。隨著超小型化進(jìn)程的加快，研究人員已經(jīng)開始探索分子尺度上物理和化學(xué)性質(zhì)的交叉技術(shù)。在這個快節(jié)奏領(lǐng)域的進(jìn)步可以改善數(shù)據(jù)存儲和信息處理設(shè)備，并幫助開發(fā)分子開關(guān)，以及其他創(chuàng)新。陶恩建和合作者最近描述了一系列關(guān)于單分子電導(dǎo)的研究。在如此微小的規(guī)模上創(chuàng)造電子產(chǎn)品面臨許多挑戰(zhàn)。在超微小的世界里，量子世界的特殊性質(zhì)占主導(dǎo)地位。在這里，電子以電流的形式流動，表現(xiàn)得像波，并受到一種稱為量子干涉現(xiàn)象的影響。

博科園-科學(xué)科普：操縱這種量子現(xiàn)象的能力可能有助于開發(fā)具有不同尋常特性的新型納米電子設(shè)備。感興趣的不僅是測量單個分子的量子現(xiàn)象，還包括控制它們。這使我們能夠理解分子系統(tǒng)中的基本電荷傳輸，并研究新的設(shè)備功能。陶是生物電子和生物傳感器生物設(shè)計(jì)中心的主任，在發(fā)表在《自然材料》(Nature Materials)上的一項(xiàng)研究中，陶和來自日本、中國和英國的同事勾勒出了實(shí)驗(yàn)的輪廓。研究人員探索了分子的電荷傳輸特性，證明了電子的幽靈波性質(zhì)（即量子干涉）可以在分子的兩種不同構(gòu)型下被精確地調(diào)制，這兩種構(gòu)型被稱為Para和Meta。結(jié)果表明，量子干涉效應(yīng)可以引起分子尺度器件電導(dǎo)性質(zhì)的顯著變化。通過控制量子干涉，研究小組發(fā)現(xiàn)單個分子的電導(dǎo)率可以微調(diào)兩個數(shù)量級以上。

精確、連續(xù)地控制量子干涉被認(rèn)為是未來廣泛的分子尺度電子學(xué)、高速低功耗電子學(xué)發(fā)展的一個關(guān)鍵組成部分。這種單分子器件有可能充當(dāng)晶體管、導(dǎo)線、整流器、開關(guān)或邏輯門，并有可能在超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)、量子密碼學(xué)和量子計(jì)算等未來應(yīng)用領(lǐng)域找到出路。在目前的研究中，分子(環(huán)狀碳?xì)浠衔?，可以以不同的?gòu)型出現(xiàn))被使用，因?yàn)樗鼈兪欠肿与娮訉W(xué)行為建模最簡單和最通用的候選者之一，是在納米尺度上觀察量子干涉效應(yīng)的理想對象。為了探測電荷通過單個分子的方式，人們進(jìn)行了所謂的斷裂結(jié)測量。測試包括使用掃描隧道顯微鏡或STM。所研究的分子位于STM器件的金襯底和金尖端之間。

STM的尖端反復(fù)地與分子接觸或接觸，當(dāng)電流通過每個端子時，就會斷開并重新形成連接。實(shí)驗(yàn)記錄了數(shù)千條電導(dǎo)與距離的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中使用的兩種分子的特殊分子特性改變了通過結(jié)的電子流?！癙ara”構(gòu)型的分子比“Meta”構(gòu)型的分子表現(xiàn)出更高的電導(dǎo)率值，這表明分子中存在結(jié)構(gòu)量子干涉和破壞性量子干涉。使用一種被稱為電化學(xué)門控的技術(shù)，研究人員能夠連續(xù)控制兩個數(shù)量級的電導(dǎo)。在過去，改變量子干涉特性需要對設(shè)備所用的載流子分子進(jìn)行修改，目前的研究標(biāo)志著首次在單個分子中進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)節(jié)。分子尺度上的電導(dǎo)受到涉及分子電子軌道量子干涉的敏感影響。具體地說，最高占據(jù)分子軌道或HOMO與最低未占據(jù)分子軌道或LUMO之間的干擾似乎是決定單個分子電導(dǎo)的主要因素。

利用電化學(xué)門電壓，分子中的量子干涉可以被精確地調(diào)整，研究人員在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間證明了良好的一致性，表明HOMO和LUMO對電導(dǎo)率貢獻(xiàn)是對Para分子的加性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)干涉。對Meta分子的減性，導(dǎo)致破壞性干涉，就像水中的波可以結(jié)合形成更大的波，也可以相互抵消，這取決于它們的相位。雖然之前關(guān)于單分子電荷輸運(yùn)的理論計(jì)算已經(jīng)完成，但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證還需要等待納米技術(shù)、掃描探針顯微鏡和形成分子與金屬表面電功能連接的方法的大量進(jìn)展?，F(xiàn)在，由于分子電子學(xué)能夠通過操縱量子干涉來微妙地改變電導(dǎo)，因此它可以進(jìn)行廣泛的創(chuàng)新。