قوانین جدید الکترونیک درمقیاس ملکولی

دانشمندانی از آزمایشگاه ملی بروکهاون و دانشگاه کلمبیا مشغول بررسی قوانین رسانش ‏الکتریکی در مدارهای مولکولی هستند. رسانایی به معنای توان مدار در هدایت الکتریسیته ‏است. در یک مدار ساده، اگر مقاومت‌ها را به‌طور موازی وصل کنید، الکترون‌ها می‌توانند از ‏مسیرهای مختلف حرکت کنند. در این حالت، رسانایی کل مدار برابر خواهد بود با جمع ‏رسانایی همه مقاومت‌ها. با اینحال، در یک مدار مولکولی، قوانین حاکم بر جریان از مکانیک ‏کوانتومی تبعیت می‌کنند. ‏در اکثر مدارهای تک- مولکولی، مولکول‌ها مثل مقاومت معمولی رفتار نمی‌کنند، بلکه ‏الکترون‌ها می‌توانند از مولکول‌ها تونل بزنند. هنگامی که مولکول دو گذرگاه موازی ‏داشته باشد، حرکت موجی الکترون می‌تواند به‌طور رؤیایی قانون جمع رسانایی‌ها را تغییر ‏دهد. سال‌ها بود که متخصصان فناوری‌نانو پی برده بودند – ولی اثبات نشده بود- که اثرات ‏تداخل کوانتومی می‌تواند رسانایی یک مدار دو گذرگاهی را تا چهار برابر رسانایی یک ‏مدار تک‌گذرگاهی افزایش دهد. ‏

این دانشمندان برای بررسی این اثرات کوانتومی مجبور به ساخت مدارهای نانواندازه ‏بودند. آنها انواعی از مولکول‌ها برای انجام آزمایش طراحی و سنتز کردند. لاتا ونکاتارامن، ‏استاد فیزیک کاربردی کلمبیا که گروهش کار بهینه‌سازی مدار مولکولی را برعهده داشت، ‏می‌گوید: «ساخت قابل اعتماد مدار از یک مولکول واقعا مشکل است. تصور کنید می‌خواهید ‏دو سر مولکولی را لمس کنید که طولش به اندازه ده اتم است.»‏

گروه ونکاتارامن برای ساخت این مدارها، از یک میکروسکوپ تونل‌زن پیمایشگر برای ‏مکررا فشار دادن یک نوک طلایی تیز به الکترود طلایی دیگر و سپس بیرون کشیدن آن ‏استفاده کرد. هنگامی که این اتصال شکسته شود، در یک لحظه فاصله بین دو قطعه طلا برای ‏قرار گرفتن مولکول چسبیده به نوک مناسب می‌شود. همینکه این سیستم مداری شکل ‏گرفت، رسانایی بسرعت اندازه‌گیری می‌شود و حتی می‌تواند هزاران بار برای بدست آوردن ‏داده‌های قابل اعتماد تکرار شود. ‏

این دانشمندان با استفاده از این رهیافت کشف کردند که رسانایی مولکول‌هایی با دو ‏گذرگاه از جمع رسانایی مربوط به تک‌گذرگاه‌ها بیشتر است، اگرچه این افزایش آنقدری ‏نبود که پیش‌بینی می‌کردند. مارک هایبرتزن، فیزیکدانی از مرکز نانومواد تابعی بروکهاون، ‏گفت: «اندازه‌گیری و شبیه‌سازی نشان می‌دهند که مولکول‌هایی با دو گذرگاه دارای ‏رسانایی هستند که از دو برابر رسانایی تک‌گذرگاه بیشتر است.»