量子奇異性引發了新的電子設備產生！

英特爾(Intel)聯合創始人戈登?摩爾(Gordon Moore)注意到半導體技術的驚人進步，他提出，晶元上的晶體管數量每年將增加一倍。自他1965年提出這一觀點以來，這一觀察結果就一直存在。然而，摩爾不太可能預見到目前電子革命的程度。今天，一種具有獨特性能的新型裝置正在研製中。隨著超小型化進程的加快，研究人員已經開始探索分子尺度上物理和化學性質的交叉技術。在這個快節奏領域的進步可以改善數據存儲和信息處理設備，並幫助開發分子開關，以及其他創新。陶恩建和合作者最近描述了一系列關於單分子電導的研究。在如此微小的規模上創造電子產品面臨許多挑戰。在超微小的世界裡，量子世界的特殊性質佔主導地位。在這裡，電子以電流的形式流動，表現得像波，並受到一種稱為量子干涉現象的影響。

博科園-科學科普：操縱這種量子現象的能力可能有助於開發具有不同尋常特性的新型納米電子設備。感興趣的不僅是測量單個分子的量子現象，還包括控制它們。這使我們能夠理解分子系統中的基本電荷傳輸，並研究新的設備功能。陶是生物電子和生物感測器生物設計中心的主任，在發表在《自然材料》(Nature Materials)上的一項研究中，陶和來自日本、中國和英國的同事勾勒出了實驗的輪廓。

研究人員探索了分子的電荷傳輸特性，證明了電子的幽靈波性質（即量子干涉）可以在分子的兩種不同構型下被精確地調製，這兩種構型被稱為Para和Meta。結果表明，量子干涉效應可以引起分子尺度器件電導性質的顯著變化。通過控制量子干涉，研究小組發現單個分子的電導率可以微調兩個數量級以上。

精確、連續地控制量子干涉被認為是未來廣泛的分子尺度電子學、高速低功耗電子學發展的一個關鍵組成部分。這種單分子器件有可能充當晶體管、導線、整流器、開關或邏輯門，並有可能在超導量子干涉器件(SQUID)、量子密碼學和量子計算等未來應用領域找到出路。在目前的研究中，分子(環狀碳氫化合物，可以以不同的構型出現)被使用，因為它們是分子電子學行為建模最簡單和最通用的候選者之一，是在納米尺度上觀察量子干涉效應的理想對象。為了探測電荷通過單個分子的方式，人們進行了所謂的斷裂結測量。測試包括使用掃描隧道顯微鏡或STM。所研究的分子位於STM器件的金襯底和金尖端之間。

STM的尖端反覆地與分子接觸或接觸，當電流通過每個端子時，就會斷開並重新形成連接。實驗記錄了數千條電導與距離的關係，實驗中使用的兩種分子的特殊分子特性改變了通過結的電子流。「Para」構型的分子比「Meta」構型的分子表現出更高的電導率值，這表明分子中存在結構量子干涉和破壞性量子干涉。

使用一種被稱為電化學門控的技術，研究人員能夠連續控制兩個數量級的電導。在過去，改變數子干涉特性需要對設備所用的載流子分子進行修改，目前的研究標誌著首次在單個分子中進行電導調節。分子尺度上的電導受到涉及分子電子軌道量子干涉的敏感影響。具體地說，最高佔據分子軌道或HOMO與最低未佔據分子軌道或LUMO之間的干擾似乎是決定單個分子電導的主要因素。

利用電化學門電壓，分子中的量子干涉可以被精確地調整，研究人員在理論計算和實驗結果之間證明了良好的一致性，表明HOMO和LUMO對電導率貢獻是對Para分子的加性，導致結構干涉。對Meta分子的減性，導致破壞性干涉，就像水中的波可以結合形成更大的波，也可以相互抵消，這取決於它們的相位。雖然之前關於單分子電荷輸運的理論計算已經完成，但實驗驗證還需要等待納米技術、掃描探針顯微鏡和形成分子與金屬表面電功能連接的方法的大量進展。現在，由於分子電子學能夠通過操縱量子干涉來微妙地改變電導，因此它可以進行廣泛的創新。

博科園-科學科普｜研究/來自: 亞利桑那州立大學/Richard Harth, Arizona State University

參考期刊文獻:《Nature Materials》

DOI: 10.1038/s41563-018-0280-5

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