由哥伦比亚工程学教授莱莎文卡塔拉曼领导的研究人员今天报告说，他们发现了一种利用破坏性量子干涉的新化学设计原理。他们用他们的方法创造了一个六纳米的单分子开关，其开态电流是关态电流的10000倍，这是单分子电路迄今为止实现的最大电流变化。
这种新的开关依赖于一种迄今为止尚未被探索过的量子干涉。研究人员使用具有特殊中心单元的长分子来增强不同电子能级之间的破坏性量子干涉。他们证明了他们的方法可以用于在室温下产生非常稳定和可再现的单分子开关，在导通状态下可以携带超过0.1微安的电流。该交换机的长度与目前市场上最小的计算机芯片尺寸相近，性能接近商用交换机。这项研究今天发表在《自然纳米技术》上。
劳伦斯古兹曼大学应用物理学教授、化学教授、教育副教务长文卡塔拉曼(Wen katara Mann)说，“我们观察到了六条纳米分子线之间的传输，这非常了不起，因为很少能观察到如此长规模的传输。”"实际上，这是我们在实验室测量的最长的分子."
在过去的45年中，晶体管尺寸的不断减小在计算机处理和器件尺寸减小方面取得了显著进展。今天的智能手机包含数亿个由硅制成的晶体管。然而，目前制造晶体管的方法正迅速接近硅的尺寸和性能极限。因此，如果我们想提高计算机的处理能力，研究人员需要开发可以与新材料一起使用的开关机制。
Venkataraman处于分子电子学的前沿。她的实验室测量单分子器件的基本性能，试图理解纳米物理、化学和工程之间的相互作用。她特别希望对电子传输的基础物理有更深入的了解，同时为技术进步打下基础。
在纳米尺度上，电子表现为波而不是粒子，电子通过隧道传输。像水面上的波浪一样，电子波可以相长干涉，也可以相消干涉。这导致了一个非线性过程。例如，如果两个波相长干涉，则产生的波的振幅(或高度)大于两个独立波的总和。这两种波可以完全抵消，并具有相消干涉。
文卡塔拉曼指出：“电子表现为波的事实是量子力学的本质。”
在分子尺度上，量子力学效应主导着电子输运。长期以来，研究人员一直预测量子干涉引起的非线性效应应该能够实现大开/关比的单分子开关。如果他们能利用分子的量子力学特性制造电路元件，那么他们就能实现更快、更小、更节能的器件，包括开关。
Venkataraman说：“制造由单分子制成的晶体管代表了小型化的最终极限，并有可能实现指数级的更快处理，同时降低功耗。”制造稳定并能经受反复开关循环的单分子器件是一项艰巨的任务。我们的结果为制造单分子晶体管铺平了道路。"
一个常见的类比是把晶体管想象成管道中的阀门。当阀门打开时，水流过管道。当它关闭时，水被堵住了。在晶体管中，水流被电子或电流所取代。在开启状态下，电流流动。在关闭状态下，电流被阻断。理想情况下，导通状态和截止状态下的电流量必须有很大的不同；否则，晶体管就像一根漏水的管子，很难分辨阀门是开着还是关着。由于晶体管被用作开关，设计分子晶体管的第一步是设计一个系统，在这个系统中，你可以在开和关状态之间切换电流。然而，过去的设计大多使用短分子来制造泄漏晶体管，其中开和关状态之间的差异并不明显。
为了克服这个问题，文卡塔拉曼和她的团队面临许多障碍。他们的主要挑战是利用化学设计的原理来创建分子电路，其中量子干涉效应可以强烈抑制关态电流，从而减少泄漏问题。
该研究的主要作者Julia Greenwald解释说：“由于短长度尺度下量子力学隧穿的可能性很高，因此很难完全关闭短分子中的电流。”卡塔拉曼实验室的学生。“对于长分子来说，情况正好相反。在长分子中，通常很难获得高的导通电流，因为隧穿概率随着长度而降低。我们设计的电路是独一无二的，因为它的长度和开/关比大；现在，我们可以实现高导通电流和极低截止电流。”
文卡塔拉曼的团队利用合作者彼得斯卡巴拉(Ramsey的化学教授)和他在格拉斯哥大学的团队化学合成的长分子来合成他们自己的设备。长分子很容易被夹在金属触点之间，从而形成单分子电路。电路非常稳定，可以反复承受高电压(超过1.5 V)。分子的电子结构增强了干涉效应，使电流具有明显的非线性，非线性是外加电压的函数，导致导通电流与截止电流的比值非常大。
研究人员正在继续与格拉斯哥大学的团队合作，研究他们的设计方法是否可以应用于其他分子，并开发一种可以通过外部刺激触发转换的系统。
格林瓦尔德说：“我们建立了一个单一的分子开关，这是使用分子组件进行自下而上材料设计的第一步。”“使用单个分子作为电路元件来构建电子器件将是一场真正的革命。”
这项研究的标题是“单分子结中通过破坏性量子干涉的高度非线性传输”。
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