Kuinka sähkö liikkuu piissä atomi atomilta

Kalifornian Riversiden yliopiston tutkijat ovat paljastaneet, kuinka sähkövirtaa voidaan manipuloida kiteisen piin läpi. Löytö voi johtaa pienempiin, nopeampiin ja tehokkaampiin piilaitteisiin hyödyntämällä kvanttisten elektronien käyttäytymistä.

Kvanttitasolla elektronit käyttäytyvät enemmän aaltojen kuin hiukkasten tavoin. Ja nyt tiedemiehet ovat osoittaneet, että piimolekyylien symmetristä rakennetta voidaan hienosäätää luomaan tai estämään ilmiö, joka tunnetaan nimellä tuhoava interferenssi. Vaikutus voi kytkeä johtavuuden "päälle" tai "pois" toimien molekyylitason kytkimenä.

”Havaitsimme, että kun pienet piirakenteet muotoillaan erittäin symmetrisesti, ne voivat kumota elektronien virtauksen kuin melua vaimentavat kuulokkeet”, sanoo tutkimusta johtanut UCR:n kemian professori Tim Su. ”Jännittävää on, että voimme hallita sitä.”

Journal of the American Chemical Society -lehdessä julkaistu tutkimus on uraauurtava ymmärryksessä siitä, miten sähkö liikkuu piin läpi pienimmässä mahdollisessa mittakaavassa, atomi atomilta.

Löydös tulee samaan aikaan, kun teknologiateollisuus on kohdannut vaikeuksia perinteisten piisirujen kutistamisessa. Perinteiset menetelmät perustuvat pienten piirien kaivertamiseen piikiekkoihin tai dopingiin.

Nämä tekniikat ovat toimineet hyvin vuosikymmeniä, mutta ne lähestyvät fyysisiä rajoja: voit veistää vain tietyn kokoisia esineitä, eivätkä lisätyt atomit voi korjata kvanttiefektien aiheuttamia ongelmia.

Sitä vastoin Su ja hänen tiiminsä käyttivät kemiaa rakentaakseen piimolekyylejä tyhjästä sen sijaan, että he olisivat veistäneet niitä osiin. Tämä "alhaalta ylös" -lähestymistapa antoi heille tarkan hallinnan atomien järjestyksestä ja mikä ratkaisevaa, hallinnan siitä, miten elektronit liikkuvat heidän piirakenteissa.

Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine ja tietojenkäsittelyn työjuhta. Mutta laitteiden kutistuessa arvaamattomat kvantti-ilmiöt, kuten eristävien esteiden yli vuotavat elektronit, vaikeuttavat perinteisten suunnittelujen hallintaa. Tämä uusi tutkimus viittaa siihen, että insinöörit saattavat omaksua tämän kvantti-ilmiön sen sijaan, että taistelisivat sitä vastaan.

”Työmme osoittaa, kuinka piin molekyylisymmetria johtaa interferenssiefekteihin, jotka säätelevät elektronien liikkumista sen läpi”, Su sanoi. ”Ja voimme kytkeä tämän interferenssin päälle tai pois säätelemällä, miten elektrodit asettuvat molekyylimme suuntaisesti.”

Vaikka ajatus kvantti-interferenssin käytöstä elektroniikassa ei ole uusi, tämä on yksi ensimmäisistä demoista kolmiulotteisessa, timantin kaltaisessa piissä – samassa rakenteessa, jota käytetään kaupallisissa siruissa.

Erittäin pienten kytkimien lisäksi löydökset voisivat auttaa kehittämään termoelektrisiä rakenteita, jotka muuntavat hukkalämmön sähköksi, tai jopa kvanttilaskennan komponentteja, jotka on rakennettu tutuista materiaaleista.

”Tämä antaa meille perustavanlaatuisen uuden tavan ajatella kytkemistä ja varauksen kuljetusta”, Su sanoi. ”Se ei ole pelkkä säätö. Se on uudelleenajattelua siitä, millaiset piin mahdollisuudet ovat.”

Aiheesta aiemmin:

Kvantti-interferenssi ja transistori

Kvantti-interferenssillä kohti topologia kvanttitietokoneita

Kvantti-interferenssi voi olla avain pienempiin eristeväleihin

Molekyylielektroniikan toimintoja kvantti-interferenssillä