Kvantti-interferenssi ja transistori

Kansainvälinen tutkijaryhmä Lontoon Queen Maryn, Oxfordin ja Lancasterin sekä Waterloon yliopistoista on kehittänyt uuden yksimolekyylisen transistorin, joka käyttää kvantti-interferenssiä elektronien virran ohjaamiseen.

Transistorien pienentyessä ne muuttuvat yhä tehottomammiksi ja alttiiksi virheille, koska elektroneja voi vuotaa rakenteen läpi kvanttitunneloinnin kautta myös silloin kun sen oletetaan olevan suljettu.

Nanomittakaavaisissa rakenteissa, joita professori Jan Mol, tohtori James Thomas ja heidän ryhmänsä tutkivat, hallitsevat kvanttimekaaniset vaikutukset, ja elektronit käyttäytyvät aaltoina pikemminkin kuin hiukkasina.

Hyödyntämällä näitä kvanttivaikutuksia tutkijat rakensivat uuden transistorin. Transistorin johtava kanava on yksi sinkkiporfyriini, molekyyli, joka voi johtaa sähköä. Porfyriini on kerrostettu kahden grafeenielektrodin väliin ja kun elektrodeihin ajetaan jännite, elektronien virtausta molekyylin läpi voidaan ohjata kvantti-interferenssin avulla.

Interferenssi on ilmiö, joka syntyy, kun kaksi aaltoa ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja joko kumoavat toisensa (destruktiivinen häiriö) tai vahvistavat toisiaan (konstruktiivinen häiriö). Uuden transistorin tapauksessa tutkijat kytkivät transistorin päälle ja pois päältä ohjaamalla sitä, interferoivatko elektronit rakentavasti (päällä) vai tuhoavasti (pois päältä), kun ne virtaavat sinkkiporfyriinimolekyylin läpi.

Tutkijat havaitsivat, että uudella transistorilla on erittäin korkea päälle/pois-suhde, mikä tarkoittaa, että se voidaan kytkeä päälle ja pois erittäin tarkasti. Tuhoavalla kvantti-interferenssillä on tässä ratkaiseva rooli, sillä se eliminoi vuotavan elektronivirran kvanttitunneloitumasta transistorin läpi, kun sen halutaan olevan kytketty pois päältä.

"Kvantti-interferenssi on voimakas ilmiö, jota voidaan käyttää monissa erilaisissa elektroniikkasovelluksissa", sanoi johtava kirjoittaja tohtori James Thomas. "Uskomme, että työmme on merkittävä askel kohti tämän potentiaalin toteuttamista."

"Tuloksemme osoittavat, että kvantti-interferenssiä voidaan käyttää ohjaamaan elektronien virtaa transistoreissa, ja että tämä voidaan tehdä tehokkaalla ja luotettavalla tavalla", sanoi toinen kirjoittaja professori Jan Mol. "Tämä voisi johtaa uudentyyppisten transistorien kehittämiseen, jotka ovat pienempiä, nopeampia ja energiatehokkaampia kuin nykyiset rakenteet."

Tutkijoiden transistoreilla oli 140 mV/dec kynnysheilahdus, mikä on parempi kuin muiden yksimolekyylisten transistoreiden raportoidut kynnysvaihtelut, ja se on verrattavissa suurempiin materiaaleista, kuten hiilinanoputkista, valmistettuihin rakenteisiin.

Tutkimus on vielä alkuvaiheessa, mutta tutkijat uskovat, että uutta transistoria voitaisiin käyttää uuden sukupolven elektroniikkalaitteiden luomiseen. Näitä laitteita voidaan käyttää monissa sovelluksissa tietokoneista, älypuhelimista lääketieteellisiin laitteisiin saakka.

Aiheesta aiemmin:

Molekyylielektroniikan johteita ja kytkimiä

Ympäristö muuttaa molekyylin kytkimeksi

Kytkentöjä atomilla ja molekyylillä