ALTIN 488,66
DOLAR 8,6580
EURO 10,1795
BIST 1.419
Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 26 °C
Sağanak Yağışlı

Tek Moleküllü Cihazlar Oluşturmak için Kuantum Özelliklerinden Yararlanma – Yalnızca 6 Nanometre Uzunluğunda Devre

08.12.2020
291
Tek Moleküllü Cihazlar Oluşturmak için Kuantum Özelliklerinden Yararlanma – Yalnızca 6 Nanometre Uzunluğunda Devre

Columbia ekibi, kuantum paraziti nedeniyle çok büyük açma / kapama oranına sahip 6 nanometre uzunluğunda tek moleküllü devre keşfetti; bulma, daha hızlı, daha küçük ve daha enerji verimli cihazlara olanak sağlayabilir.

Columbia Mühendislik Profesörü Latha Venkataraman liderliğindeki araştırmacılar, bugün yıkıcı kuantum girişiminden yararlanmak için yeni bir kimyasal tasarım ilkesi keşfettiklerini bildiriyorlar.

Yaklaşımlarını, açık durum akımının kapalı durum akımından 10.000 kat daha fazla olduğu altı nanometrelik tek moleküllü bir anahtar oluşturmak için kullandılar – bugüne kadar tek moleküllü bir devre için elde edilen en büyük akım değişikliği.

Bu yeni anahtar, şimdiye kadar araştırılmamış bir tür kuantum girişimine dayanıyor. Araştırmacılar, farklı elektronik enerji seviyeleri arasındaki yıkıcı kuantum girişimini artırmak için özel bir merkezi birime sahip uzun moleküller kullandılar.

Yaklaşımlarının, açık durumda 0,1 mikroamperden fazla akım taşıyabilen, oda sıcaklığında çok kararlı ve tekrarlanabilir tek molekül anahtarları üretmek için kullanılabileceğini gösterdiler. Anahtarın uzunluğu şu anda piyasada bulunan en küçük bilgisayar yongalarının boyutuna benzer ve özellikleri ticari anahtarlarınkine yakındır.

Lawrence Gussman Uygulamalı Fizik Profesörü, Kimya Profesörü ve Fakülte İşlerinden Sorumlu Rektör Yardımcısı Venkataraman, “Altı nanometrelik bir moleküler tel boyunca taşınmayı gözlemledik, bu kadar uzun ölçeklerde taşınmanın nadiren görülmesi dikkat çekicidir” dedi. “Aslında bu, laboratuvarımızda şimdiye kadar ölçtüğümüz en uzun molekül.”

Son 45 yıl içinde, transistör boyutundaki sabit düşüşler, bilgisayar işlemede ve giderek küçülen cihaz boyutlarında önemli gelişmeler sağlamıştır. Günümüzün akıllı telefonları silikondan yapılmış yüz milyonlarca transistör içeriyor.

Tek Moleküllü Cihazlar Oluşturmak için Kuantum Özelliklerinden Yararlanma - Yalnızca 6 Nanometre Uzunluğunda Devre 1
Dünyayı Sarsan 25 Mikroçip

Bununla birlikte, mevcut transistör yapma yöntemleri, silikonun boyut ve performans sınırlarına hızla yaklaşmaktadır. Bu nedenle, bilgisayar işlemede ilerleme kaydedilecekse, araştırmacıların yeni malzemelerle kullanılabilecek anahtarlama mekanizmaları geliştirmeleri gerekir.

Venkataraman, moleküler elektroniğin ön saflarında yer almaktadır. Nanometre ölçeğinde fizik, kimya ve mühendisliğin etkileşimini anlamaya çalışan laboratuvarı, tek moleküllü cihazların temel özelliklerini ölçüyor. Teknolojik gelişmeler için zemin hazırlarken özellikle elektron taşınmasının temel fiziği hakkında daha derin bir anlayış kazanmakla ilgileniyor.

Nanometre ölçeğinde elektronlar parçacıklar yerine dalga gibi davranırlar ve elektron taşınması tünelleme yoluyla gerçekleşir. Suyun yüzeyindeki dalgalar gibi, elektron dalgaları da yapıcı bir şekilde müdahale edebilir veya yıkıcı bir şekilde müdahale edebilir. Bu, doğrusal olmayan süreçlerle sonuçlanır. Örneğin, iki dalga yapıcı bir şekilde müdahale ederse, ortaya çıkan dalganın genliği (veya yüksekliği) iki bağımsız dalganın toplamından daha fazladır. Yıkıcı girişim ile iki dalga tamamen iptal edilebilir.

Venkataraman, “Elektronların dalga gibi davranması, kuantum mekaniğinin özüdür” dedi.

Moleküler ölçekte, kuantum mekanik etkiler elektron taşınmasına hâkimdir. Araştırmacılar, kuantum girişiminin ürettiği doğrusal olmayan etkilerin, büyük açma / kapama oranlarına sahip tek molekül anahtarlarını etkinleştirmesi gerektiğini uzun zamandır tahmin ediyorlar.

Devre elemanları yapmak için moleküllerin kuantum mekaniği özelliklerini kullanabilirlerse, anahtarlar dahil daha hızlı, daha küçük ve daha enerji verimli cihazları etkinleştirebilirler.

Tek Moleküllü Cihazlar Oluşturmak için Kuantum Özelliklerinden Yararlanma - Yalnızca 6 Nanometre Uzunluğunda Devre 2
Kuantum Mekaniği

Venkataraman, “Tek moleküllerden transistör yapmak, minyatürleştirme açısından nihai sınırı temsil ediyor ve güç tüketimini azaltırken katlanarak daha hızlı işlemeyi sağlama potansiyeline sahip” dedi. “Kararlı ve tekrarlanan anahtarlama döngülerini sürdürebilen tek moleküllü cihazlar yapmak önemsiz bir iştir. Sonuçlarımız, tek moleküllü transistörler üretmenin yolunu açıyor.”

Yaygın bir benzetme, transistörleri bir borudaki valf gibi düşünmektir. Vana açıkken, borudan su akar. Kapatıldığında su bloke olur. Transistörlerde, su akışı elektronların akışı veya akımla değiştirilir. Açık durumda, akım akar.

Kapalı durumda akım bloke edilir. İdeal olarak, açık ve kapalı durumda akan akım miktarı çok farklı olmalıdır; aksi takdirde, transistör, vananın açık mı yoksa kapalı mı olduğunu söylemenin zor olduğu sızdıran bir boru gibidir.

Transistörler anahtar olarak çalıştığından, moleküler transistörlerin tasarımında ilk adım, akım akışını açık ve kapalı durum arasında değiştirebileceğiniz sistemler tasarlamaktır. Bununla birlikte, geçmiş tasarımların çoğu, açık ve kapalı durum arasındaki farkın önemli olmadığı kısa moleküller kullanarak sızdıran transistörler yarattı.

Bunun üstesinden gelmek için Venkataraman ve ekibi bir dizi engelle karşılaştı. Başlıca zorlukları, kuantum girişim etkilerinin kapalı durumdaki akımı güçlü bir şekilde baskılayabileceği ve böylece sızıntı sorunlarını azaltabileceği moleküler devreler oluşturmak için kimyasal tasarım ilkelerini kullanmaktı.

Venkataraman’ın laboratuarında doktora öğrencisi olan çalışmanın baş yazarı Julia Greenwald, “Kısa uzunluk ölçeklerinde kuantum mekanik tünelleme olasılığının daha yüksek olması nedeniyle kısa moleküllerde akım akışını tamamen kapatmak zordur” dedi.

“Bunun tersi uzun moleküller için doğrudur, burada yüksek durumdaki akımları elde etmenin genellikle zor olduğu yerlerde tünel oluşturma olasılığı uzunlukla azalır. Tasarladığımız devreler uzunlukları ve geniş açma / kapama oranları nedeniyle benzersizdir; Artık hem yüksek durumdaki akım hem de çok düşük durum dışı akım elde edebiliyoruz. “

Venkataraman’ın ekibi cihazlarını, Ramsay Kimya Bölümü Başkanı Peter Skabara ve Glasgow Üniversitesi’ndeki grubu tarafından sentezlenen uzun molekülleri kullanarak yarattı. Uzun moleküller, tek moleküllü devreler oluşturmak için metal temaslar arasında yakalanması kolaydır.

Devreler çok kararlıdır ve tekrar tekrar yüksek uygulanan voltajları (1,5 V’u aşan) sürdürebilir. Moleküllerin elektronik yapısı, uygulanan voltajın bir fonksiyonu olarak akımda belirgin bir doğrusal olmama sağlayarak girişim etkilerini artırır, bu da çok büyük bir açık durum akımının durum dışı akıma oranına yol açar.

Araştırmacılar, tasarım yaklaşımlarının diğer moleküllere uygulanıp uygulanamayacağını görmek ve anahtarın harici bir uyarıcı tarafından tetiklenebileceği bir sistem geliştirmek için Glasgow Üniversitesi’ndeki ekiple çalışmaya devam ediyor.

Greenwald, “Tek bir molekülden bir anahtar oluşturmamız, moleküler yapı blokları kullanarak malzemelerin aşağıdan yukarıya tasarımına doğru çok heyecan verici bir adım” dedi. “Devre bileşenleri olarak işlev gören tek moleküllü elektronik cihazlar oluşturmak gerçekten dönüştürücü olacaktır.”

Çalışma Hakkında

Çalışma, “Yıkıcı kuantum girişimiyle tek moleküllü kavşaklar arasında son derece doğrusal olmayan taşıma” başlığını taşıyor.

Yazarlar: Julia E. Greenwald 1, Joseph Cameron 2, Neil J. Findlay 2, Tianren Fu 1, Suman Gunasekaran 1, Peter J. Skabara 2 ve Latha Venkataraman 1,3?

1 Kimya Bölümü, Columbia Üniversitesi

2 WestCHEM, Kimya Okulu, Glasgow Üniversitesi

3 Uygulamalı Fizik ve Matematik Bölümü, Columbia Mühendislik

Çalışma National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellowships DGE-1644869, NSF hibe CHE-1764256, NSF DMR-1807580, Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) hibe EP / P02744X / 2 ve EP / N035496 / 2 tarafından desteklenmiştir. .

Referans: “Yıkıcı kuantum girişimi yoluyla tek moleküllü kavşaklar arasında son derece doğrusal olmayan aktarım.” 7 Aralık 2020, Nature Nanotechnology.

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.