Kvantti-interferenssi voi olla avain pienempiin eristeväleihin

Viime vuosina transistoreiden kutistuminen on aiheuttanut sellaiset vuotovirrat että ne tuottavat nykyisen piiritekniikan miniatyrisoinnille rajat.

Kun kahden metallielektrodin välinen rako kaventuu siihen pisteeseen, että elektronien kulkua eivät eristeet enää estä, kuvaan astuu ilmiö nimeltään kvanttimekaaninen tunnelointi. Ja kun rako edelleen pienenee tunnelointijohtuminen kasvaa eksponentiaalisesti.

Tieteellinen käsitys on jo pitkään osoittanut, että tyhjiöesteet ovat tehokkain keino rajoittaa tunnelointia. Kuitenkin jopa ne aiheuttavat jonkin verran kvanttitunneloinnin aiheuttamia vuotoja. Tutkijat Columbian, Shanghai Normal Universityn ja Kööpenhaminan yliopistoista ovat haastaneet perinteisen viisauden syntetisoimalla ensimmäisen molekyylin, joka kykenee eristämään nanometritasolla tehokkaammin kuin tyhjiöeste.

"Olemme päässeet siihen pisteeseen, jossa tutkijoille on ratkaisevan tärkeä kehittää luovia ratkaisuja eristyksen uudelleen suunnitteluun. Meidän molekyylistrategiamme on uusi suunnitteluperiaate klassisille laitteille, ja se pystyy tukemaan jatkuvaa miniatyrisointia lähiaikoina", kertoo Columbia Engineeringin fyysikko Latha Venkataraman.

Tiimin oivallus oli hyödyntää elektronien aaltoluonnetta. Suunnittelemalla äärimmäisen jäykkä piipohjainen molekyyli, joka sisälsi kattavia kumoavia interferenssi-ilmiöitä, he keksivät uuden tekniikan blokata tunneloinnin johtumista nanomittakaavassa.

"Tämä kvantti-interferenssiin pohjautuva lähestymistapa asettaa uuden standardin lyhyille eristysmolekyyleille", kertoo Kööpenhaminan yliopiston kemisti Marc Garner. "Teoreettisesti interferenssi voi johtaa tunneloinnin todennäköisyyden täydelliseen poistamiseen ja olemme osoittaneet, että molekyyliemme eristyskomponentti on vähemmän johtava kuin samankokoinen tyhjökuilu. Samalla työmme parantaa myös viimeaikaista tutkimusta hiilipohjaisista järjestelmistä, joiden katsottiin olevan parhaita molekyylieristeitä tähän asti."

Kumoava kvantti-interferenssi esiintyy, kun kahden aallon huiput ja laaksot sijoittuvat täsmälleen vastakkain. Tutkijatiimin synteettisen molekyylin ainutlaatuiset ominaisuudet lievensivät tunnelointia ilman, että vaaditaan paksumpaa eristystä.

Heidän piipohjainen strategia tuo esiin myös mahdollisuuden valmistautua tehdastason ratkaisuun. Vaikka hiilinanoputkien viimeaikainen tutkimus lupaa teollisia sovelluksia seuraavan vuosikymmenen aikana tämä eristys, joka on yhteensopiva nykyisten teollisuusstandardien kanssa, voitaisiin helpommin toteuttaa.

Tutkimus on ensimmäinen jossa eristeen luomiseen liittyen kvantti-interferenssi on otettu huomioon. Läpimurto kasvoi piipohjaisen molekyylielektroniikan projektista, joka alkoi vuonna 2010. Projektissa on jo osoitettu että piimolekyylilangat voivat toimia kytkiminä ja nyt on osoitettu, että muuttamalla niiden rakennetta niistä voi luoda myös eristeitä.

Aiheesta aiemmin:

Kohti molekyylielektroniikkaa

Molekyyli kytkimenä