В Исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе создан молекулярный переключатель для будущих сверхминиатюрных электронных схем.

Такие переключатели должны управлять протеканием тока, что требует некоего изменения конфигурации используемой молекулы. Ранее физики уже пытались реализовать эту идею, контролируя образование и разрыв одной химической связи, но устройства получались неудобными и ненадёжными.

Предложенный IBM вариант переключателя построен на базе органической молекулы PTCDA (перилен-3,4,9,10-тетракарбоксильный диангидрид). PTCDA и атомы золота размещались на тонкой плёнке хлорида натрия, покрывавшей медную поверхность, после чего учёные с помощью сканирующего туннельного микроскопа подводили один атом золота, который становился отрицательно заряженным ионом, к отрицательно заряженной молекуле. При подаче отрицательного напряжения на иглу микроскопа молекула временно становилась нейтральной, что влияло на взаимодействие иона золота с нею и создавало условия для образования ковалентной связи. Новая связь, в свою очередь, изменяла электронную структуру молекулы, и туннельный ток возрастал. Переключатель, таким образом, находился в положении «включено».

При изменении полярности приложенного напряжения молекула PTCDA приобретала дополнительный электрон, ион золота отталкивался от неё, ток спадал, и переключатель оказывался в положении «выключено».

Рис. 1. Игла микроскопа (показана в виде пирамиды), молекула PTCDA (белые, серые и красные сферы) и расположенный рядом атом золота (иллюстрация F. Mohn / IBM Research-Zurich).

Авторы также изучили PTCDA под атомно-силовым микроскопом и сравнили полученные изображения с результатами расчётов в рамках теории функционала плотности. Выяснилось, что в положении «включено» пять углеродных «колец» молекулы PTCDA, которые ранее находились в одной плоскости, приподнимаются, принимая форму купола, а атом золота, образуя связь, вдвигается в центральную область. При переключении молекула вновь выравнивается, и атом выталкивается.

Сотрудник Северо-Западного университета Марк Ратнер (Mark Ratner) считает основными преимуществами швейцарской разработки скорость и надёжность переключения.

«Конечно, до создания полноценного набора элементов молекулярной электроники нам ещё далеко, но за одномолекулярный переключатель теперь можно не беспокоиться», — замечает исследователь.

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Physical Review Letters.