Koska elektroniikan miniatyrisointi jatkuu vauhdilla, tutkijat ovat ryhtyneet etsimään molekyylien mitoilla esiintyvien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien leikkauspisteitä. Arizonan osavaltion yliopiston Nongjian “NJ” Tao ja hänen yhteistyökumppaninsa esittivät hiljattain tutkimuksiaan sähköjohtavuudesta yksittäisten molekyylien parissa.
Elektroniikan luominen tällä äärettömän pienellä mittakaavalla aiheuttaa monia haasteita, sillä siellä pätevät vain kvanttimaailman erikoisominaisuudet. Tällöin elektronien vuo käyttäytyy aaltojen tapaan ja ne altistuvat kvantti-interferenssille. Kyky manipuloida tätä kvantti-ilmiötä voisi auttaa avaamaan oven uusille nanoelektronisille laitteille, joilla on epätavalliset ominaisuudet.
- Olemme paitsi kiinnostuneita mittaamaan kvantti-ilmiöitä paitsi yksittäisissä molekyyleissä myös hallitsemaan niitä. Tämä antaa meille mahdollisuuden ymmärtää varausten kuljetusta molekyylijärjestelmissä ja tutkia uusia rakennetoimintoja, toteaa Tao.
Professori Tao sekä Japanin, Kiinan ja Ison-Britannian kollegat esittelivät kokeita, joissa yksi orgaaninen molekyyli on sijoitettu elektrodiparin välille virran kulkiessa sen rakenteen läpi. He tutkivat molekyylien kautta kulkevien varausten siirto-ominaisuuksia.Tutkijat osoittivat, että elektronien kvantti-interferenssiä voidaan moduloida tarkasti molekyylin kahdessa eri kokoonpanossa, joka tunnetaan nimillä Para ja Meta.
Ohjailemalla kvantti-interferenssiä ryhmä osoitti, että yksittäisen molekyylin sähköistä johtavuutta voidaan hienosäätää kahden suuruusluokan verran. Kvantti-interferenssin tarkkaa ja jatkuvaa hallintaa pidetään keskeisenä tekijänä laajamittaisen molekyylielektroniikan tulevassa kehityksessä.
Tällaiset yksimolekyyliset rakenteet voivat mahdollisesti toimia transistoreina, johtimina, tasasuuntaajina, kytkiminä tai logiikkaportteina ja ne voivat löytää tiensä futuristisiin sovelluksiin. Tällaisia voivat olla esimerkiksi suprajohtavat kvantti-interferenssilaitteet, kvanttisalaus ja kvanttilaskenta.
ProfessoriTaon johtamassa tutkimuksessa käytettiin molekyyleinä renkaan muotoisia hiilivetyjä, jotka voivat esiintyä eri kokoonpanoissa. Tutkimuksissa molekyyli asetettiin kulta-alustan ja STM-mikroskoopin kultakärjen väliin. STM:n kärki tuodaan toistuvasti kosketukseen ja pois molekyylin kanssa ja näin katkaistaan ja uudelleenkytketään liitosta.
Tuhansia johtokykyarvoja ja etäisyysratoja luettiin tietyillä molekyylien ominaisuuksilla niiden muuttaessa elektronivuota liitoksen läpi.
Para-konfiguraatiossa olevat molekyylien johtokyky oli kokreampi kuin Meta-muodon molekyyleissä. Erityisen sähkökemiallisen porttitekniikan avulla tutkijat pystyivät jatkuvasti hallitsemaan johtokykyä kahden suuruusluokan verran. Aiemmin kvantti-interferenssiominaisuuksien muuttaminen vaati muutoksia itse molekyyliin. Nykyinen tutkimus merkitsee ensimmäistä kertaa johtavuuden säätelyä yksittäisessä molekyylissä.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 19.3.2019
