Exploiter les propriétés quantiques pour créer des dispositifs à molécule unique –

  • FrançaisFrançais



  • Des chercheurs, dirigés par Latha Venkataraman, professeur d’ingénierie à Columbia, rapportent aujourd’hui qu’ils ont découvert un nouveau principe de conception chimique pour exploiter les interférences quantiques destructrices. Ils ont utilisé leur approche pour créer un commutateur à molécule unique de six nanomètres où le courant à l’état passant est plus de 10000 fois supérieur au courant à l’état bloqué – le plus grand changement de courant réalisé pour un circuit à une seule molécule à ce jour.

    Ce nouveau commutateur repose sur un type d’interférence quantique qui n’a pas encore été exploré. Les chercheurs ont utilisé de longues molécules avec une unité centrale spéciale pour améliorer l’interférence quantique destructrice entre différents niveaux d’énergie électronique. Ils ont démontré que leur approche peut être utilisée pour produire des commutateurs à molécule unique très stables et reproductibles à température ambiante qui peuvent transporter des courants dépassant 0,1 microampère à l’état passant. La longueur du commutateur est similaire à la taille des plus petites puces informatiques actuellement sur le marché et ses propriétés se rapprochent de celles des commutateurs commerciaux. L’étude est publiée aujourd’hui dans Nanotechnologie de la nature.

    «Nous avons observé le transport à travers un fil moléculaire de six nanomètres, ce qui est remarquable car le transport sur des échelles de longueur aussi longue est rarement observé», a déclaré Venkataraman, professeur de physique appliquée Lawrence Gussman, professeur de chimie et vice-recteur aux affaires professorales. “En fait, c’est la plus longue molécule que nous ayons jamais mesurée dans notre laboratoire.”

    Au cours des 45 dernières années, des diminutions constantes de la taille des transistors ont permis des améliorations spectaculaires dans le traitement informatique et des tailles d’appareils en constante diminution. Les smartphones d’aujourd’hui contiennent des centaines de millions de transistors en silicium. Cependant, les méthodes actuelles de fabrication de transistors se rapprochent rapidement des limites de taille et de performances du silicium. Donc, si le traitement informatique doit progresser, les chercheurs doivent développer des mécanismes de commutation qui peuvent être utilisés avec de nouveaux matériaux.

    Venkataraman est à la pointe de l’électronique moléculaire. Son laboratoire mesure les propriétés fondamentales des dispositifs à molécule unique, cherchant à comprendre l’interaction de la physique, de la chimie et de l’ingénierie à l’échelle nanométrique. Elle est particulièrement intéressée à approfondir sa compréhension de la physique fondamentale du transport d’électrons, tout en jetant les bases des progrès technologiques.

    À l’échelle nanométrique, les électrons se comportent comme des ondes plutôt que comme des particules et le transport d’électrons se produit par effet tunnel. Comme les ondes à la surface de l’eau, les ondes électroniques peuvent interférer de manière constructive ou interférer de manière destructive. Il en résulte des processus non linéaires. Par exemple, si deux ondes interfèrent de manière constructive, l’amplitude (ou la hauteur) de l’onde résultante est supérieure à la somme des deux ondes indépendantes. Deux ondes peuvent être complètement annulées avec des interférences destructrices.

    “Le fait que les électrons se comportent comme des ondes est l’essence même de la mécanique quantique”, a noté Venkataraman.

    À l’échelle moléculaire, les effets de la mécanique quantique dominent le transport d’électrons. Les chercheurs ont longtemps prédit que les effets non linéaires produits par l’interférence quantique devraient permettre des commutateurs à une seule molécule avec de grands rapports marche / arrêt. S’ils pouvaient exploiter les propriétés mécaniques quantiques des molécules pour fabriquer des éléments de circuit, ils pourraient permettre des appareils plus rapides, plus petits et plus écoénergétiques, y compris des commutateurs.

    «La fabrication de transistors à partir de molécules uniques représente la limite ultime en termes de miniaturisation et a le potentiel de permettre un traitement exponentiellement plus rapide tout en diminuant la consommation d’énergie», a déclaré Venkataraman. “Fabriquer des dispositifs à une seule molécule qui sont stables et capables de supporter des cycles de commutation répétés est une tâche non triviale. Nos résultats ouvrent la voie à la fabrication de transistors à une seule molécule.”

    Une analogie courante consiste à penser aux transistors comme une valve sur un tuyau. Lorsque la vanne est ouverte, de l’eau s’écoule à travers le tuyau. Lorsqu’il est fermé, l’eau est bloquée. Dans les transistors, le flux d’eau est remplacé par le flux d’électrons, ou de courant. Dans l’état passant, le courant circule. À l’état bloqué, le courant est bloqué. Idéalement, la quantité de courant circulant dans les états marche et arrêt doit être très différente; sinon, le transistor est comme un tuyau qui fuit où il est difficile de dire si la vanne est ouverte ou fermée. Étant donné que les transistors fonctionnent comme des commutateurs, une première étape dans la conception de transistors moléculaires consiste à concevoir des systèmes dans lesquels vous pouvez basculer le flux de courant entre un état activé et un état désactivé. La plupart des conceptions antérieures, cependant, ont créé des transistors qui fuient en utilisant des molécules courtes où la différence entre l’état passant et l’état bloqué n’était pas significative.

    Pour surmonter cela, Venkataraman et son équipe ont dû faire face à un certain nombre d’obstacles. Leur principal défi était d’utiliser les principes de conception chimique pour créer des circuits moléculaires où les effets d’interférence quantique pourraient fortement supprimer le courant à l’état bloqué, atténuant ainsi les problèmes de fuite.

    “Il est difficile de désactiver complètement le flux de courant dans les molécules courtes en raison de la plus grande probabilité de tunnel mécanique quantique sur des échelles de longueur plus courtes”, a expliqué l’auteur principal de l’étude, Julia Greenwald, doctorante au laboratoire de Venkataraman. “L’inverse est vrai pour les molécules longues, où il est souvent difficile d’atteindre des courants à l’état passant élevés car la probabilité de tunnel diminue avec la longueur. Les circuits que nous avons conçus sont uniques en raison de leur longueur et de leur grand rapport marche / arrêt; nous sommes maintenant en mesure pour obtenir à la fois un courant à l’état passant élevé et un courant à l’état bloqué très faible. “

    L’équipe de Venkataraman a créé ses appareils en utilisant de longues molécules synthétisées par le collaborateur Peter Skabara, président Ramsay de chimie, et son groupe à l’Université de Glasgow. Les longues molécules sont faciles à piéger entre les contacts métalliques pour créer des circuits à molécule unique. Les circuits sont très stables et peuvent supporter à plusieurs reprises des tensions appliquées élevées (dépassant 1,5 V). La structure électronique des molécules renforce les effets d’interférence, permettant une non-linéarité prononcée du courant en fonction de la tension appliquée, ce qui conduit à un très grand rapport du courant à l’état passant au courant à l’état bloqué.

    Les chercheurs continuent de travailler avec l’équipe de l’Université de Glasgow pour voir si leur approche de conception peut être appliquée à d’autres molécules et pour développer un système dans lequel l’interrupteur peut être déclenché par un stimulus externe.

    “Notre construction d’un interrupteur à partir d’une seule molécule est une étape très excitante vers la conception ascendante de matériaux utilisant des blocs de construction moléculaires”, a déclaré Greenwald. “Construire des dispositifs électroniques avec des molécules uniques agissant comme des composants de circuit serait vraiment transformateur.”

    N'oubliez pas de voter pour cet article !
    1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (No Ratings Yet)
    Loading...

    Laisser un commentaire

    Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.