Memajukan pengeditan gen dengan varian CRISPR / Cas9 baru - ScienceDaily
Teknologi

Memanfaatkan properti kuantum untuk membuat perangkat molekul tunggal – ScienceDaily


Para peneliti, dipimpin oleh Profesor Teknik Columbia Latha Venkataraman, hari ini melaporkan bahwa mereka telah menemukan prinsip desain kimiawi baru untuk mengeksploitasi interferensi kuantum yang merusak. Mereka menggunakan pendekatan mereka untuk membuat sakelar molekul tunggal enam nanometer di mana arus on-state lebih dari 10.000 kali lebih besar daripada arus off-state – perubahan arus terbesar yang dicapai untuk rangkaian molekul tunggal hingga saat ini.

Sakelar baru ini bergantung pada jenis interferensi kuantum yang hingga kini belum dieksplorasi. Para peneliti menggunakan molekul panjang dengan unit pusat khusus untuk meningkatkan interferensi kuantum yang merusak antara berbagai tingkat energi elektronik. Mereka mendemonstrasikan bahwa pendekatan mereka dapat digunakan untuk menghasilkan sakelar molekul tunggal yang sangat stabil dan dapat direproduksi pada suhu kamar yang dapat membawa arus melebihi 0,1 mikroampel dalam keadaan aktif. Panjang sakelar serupa dengan ukuran chip komputer terkecil yang saat ini ada di pasaran dan propertinya mendekati sakelar komersial. Studi ini dipublikasikan hari ini di Nanoteknologi Alam.

“Kami mengamati pengangkutan melintasi kawat molekul enam nanometer, yang luar biasa karena pengangkutan melintasi skala panjang seperti itu jarang diamati,” kata Venkataraman, Profesor Fisika Terapan Lawrence Gussman, profesor kimia, dan Wakil Rektor untuk Urusan Fakultas. “Faktanya, ini adalah molekul terpanjang yang pernah kami ukur di lab kami.”

Selama 45 tahun terakhir, penurunan yang stabil dalam ukuran transistor telah memungkinkan peningkatan dramatis dalam pemrosesan komputer dan ukuran perangkat yang terus menyusut. Ponsel pintar saat ini mengandung ratusan juta transistor yang terbuat dari silikon. Namun, metode pembuatan transistor saat ini dengan cepat mendekati batas ukuran dan kinerja silikon. Jadi, jika pemrosesan komputer ingin maju, peneliti perlu mengembangkan mekanisme switching yang dapat digunakan dengan materi baru.

Venkataraman berada di garis depan elektronika molekuler. Laboratoriumnya mengukur sifat dasar perangkat molekul tunggal, berusaha memahami interaksi fisika, kimia, dan teknik pada skala nanometer. Dia sangat tertarik untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang fisika fundamental transpor elektron, sambil meletakkan dasar bagi kemajuan teknologi.

Pada skala nanometer, elektron berperilaku sebagai gelombang daripada partikel dan transpor elektron terjadi melalui penerowongan. Seperti gelombang di permukaan air, gelombang elektron dapat secara konstruktif mengganggu atau mengganggu secara destruktif. Ini menghasilkan proses nonlinier. Misalnya, jika dua gelombang mengganggu secara konstruktif, amplitudo (atau ketinggian) gelombang yang dihasilkan lebih dari jumlah dua gelombang independen. Dua gelombang dapat sepenuhnya dibatalkan dengan gangguan yang merusak.

“Fakta bahwa elektron berperilaku sebagai gelombang adalah inti dari mekanika kuantum,” kata Venkataraman.

Pada skala molekuler, efek mekanis kuantum mendominasi transpor elektron. Para peneliti telah lama memprediksikan bahwa efek nonlinier yang dihasilkan oleh interferensi kuantum seharusnya mengaktifkan sakelar molekul tunggal dengan rasio on / off yang besar. Jika mereka dapat memanfaatkan sifat mekanik kuantum molekul untuk membuat elemen sirkuit, mereka dapat mengaktifkan perangkat yang lebih cepat, lebih kecil, dan lebih hemat energi, termasuk sakelar.

“Membuat transistor dari molekul tunggal mewakili batas akhir dalam hal miniaturisasi dan memiliki potensi untuk memungkinkan pemrosesan yang lebih cepat secara eksponensial sambil mengurangi konsumsi daya,” kata Venkataraman. “Membuat perangkat molekul tunggal yang stabil dan mampu mempertahankan siklus peralihan berulang adalah tugas yang tidak mudah. ​​Hasil kami membuka jalan menuju pembuatan transistor molekul tunggal.”

Sebuah analogi yang umum adalah menganggap transistor seperti katup pada pipa. Saat katup terbuka, air mengalir melalui pipa. Saat ditutup, air tersumbat. Dalam transistor, aliran air diganti dengan aliran elektron, atau arus. Dalam keadaan on, arus mengalir. Dalam keadaan mati, arus diblokir. Idealnya, jumlah arus yang mengalir di status on dan off harus sangat berbeda; jika tidak, transistor seperti pipa bocor dimana sulit untuk membedakan apakah katup terbuka atau tertutup. Karena transistor berfungsi sebagai sakelar, langkah pertama dalam merancang transistor molekuler adalah merancang sistem di mana Anda dapat mengalihkan aliran arus antara keadaan hidup dan mati. Namun, sebagian besar desain masa lalu telah menciptakan transistor bocor dengan menggunakan molekul pendek di mana perbedaan antara keadaan hidup dan mati tidak signifikan.

Untuk mengatasi hal tersebut, Venkataraman dan timnya menghadapi sejumlah rintangan. Tantangan utama mereka adalah menggunakan prinsip-prinsip desain kimiawi untuk membuat sirkuit molekuler di mana efek interferensi kuantum dapat menekan arus dengan kuat dalam keadaan mati, sehingga mengurangi masalah kebocoran.

“Sulit untuk sepenuhnya mematikan aliran arus dalam molekul pendek karena kemungkinan lebih besar terowongan mekanis kuantum melintasi skala panjang yang lebih pendek,” jelas penulis utama studi tersebut Julia Greenwald, seorang mahasiswa PhD di lab Venkataraman. “Kebalikannya berlaku untuk molekul panjang, di mana seringkali sulit untuk mencapai arus on-state yang tinggi karena probabilitas tunneling berkurang seiring dengan panjangnya. Sirkuit yang kami rancang unik karena panjangnya dan rasio on / off yang besar; kami sekarang dapat untuk mencapai arus on-state tinggi dan arus off-state sangat rendah. “

Tim Venkataraman membuat perangkat mereka menggunakan molekul panjang yang disintesis oleh kolaborator Peter Skabara, Ketua Kimia Ramsay, dan kelompoknya di Universitas Glasgow. Molekul panjang mudah terperangkap di antara kontak logam untuk membuat sirkuit molekul tunggal. Sirkuit sangat stabil dan dapat berulang kali mempertahankan tegangan yang diterapkan tinggi (melebihi 1,5 V). Struktur elektronik dari molekul meningkatkan efek interferensi, memungkinkan nonlinier yang diucapkan dalam arus sebagai fungsi dari tegangan yang diterapkan, yang mengarah ke rasio yang sangat besar dari arus on-state ke arus off-state.

Para peneliti terus bekerja dengan tim di Universitas Glasgow untuk melihat apakah pendekatan desain mereka dapat diterapkan pada molekul lain, dan untuk mengembangkan sistem di mana peralihan dapat dipicu oleh stimulus eksternal.

“Membangun sakelar kami dari satu molekul adalah langkah yang sangat menarik menuju desain material dari bawah ke atas menggunakan blok penyusun molekul,” kata Greenwald. “Membangun perangkat elektronik dengan molekul tunggal yang bertindak sebagai komponen sirkuit akan sangat transformatif.”

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney