Наши ученые разрабатывают квантовый молекулярный транзистор нового типа

Ученые МИЭТа член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой Квантовой физики и наноэлектроники Александр Горбацевич, академик РАН, заведующий Базовой кафедрой субмикронной технологии СБИС Геннадий Красников и аспирант кафедры КФН Николай Шубин предложили теоретическую модель молекулярного транзистора, работа которого основана на эффекте квантовой интерференции и особых свойствах открытых квантовых систем.

Процессы резонансного туннелирования через квантовые объекты, такие как, например, отдельные молекулы, определяются не только структурой самой квантовой системы, но и взаимодействием этой системы с контактами. Ученые построили теоретическую модель, описывающую этот процесс, и показали принципиальное отличие туннелирования через систему с вырожденными и невырожденными уровнями. В первом случае вероятность процесса оказывается существенно ниже, чем для невырожденных состояний. Воздействуя на квантовый проводник (молекулу) внешним неоднородным электрическим полем за счет очень локального затвора, можно снимать и восстанавливать вырождение уровней в системе, и, таким образом, переключаться между различными режимами туннелирования.

Предложенный вариант управляемого квантового проводника, фактически квантового интерференционного транзистора, обладает двумя важными преимуществами перед современными кремниевыми аналогами. Во-первых, молекулярные транзисторы обладают гораздо меньшими размерами нежели самые передовые кремниевые разработки. Более того, молекулы неотличимы друг от друга и поэтому воспроизводимость совершенно одинаковых рабочих узлов транзистора будет абсолютной. Во-вторых, как было показано учеными, такие транзисторы и даже более сложные логические элементы (например, инвертор) могут работать при комнатной температуре при крайне низких напряжениях питания. Это представляется главным достоинством предлагаемой идеи нового типа молекулярных переключателей, поскольку проблема снижения энерговыделения является одной из самых острых в современной электронике. Несмотря на все уменьшающиеся топологические нормы не удается существенно снизить напряжение питания и оно остается на уровне 0,5 – 1 В. В связи с этим, подобные устройства с крайне низким энергопотреблением могут найти широкое применение как в традиционных вычислительных устройствах, так и во многих других областях, например, во встраиваемых системах, включая имплантируемые в медицинских целях устройства.

Работа, проведенная авторами, служит лишь первым шагом на пути к возможному созданию новой молекулярной элементной базы наноэлектроники. Для развития и уточнения предложенной идеи предстоит провести численное моделирование из первых принципов различных молекулярных систем и рассчитать их проводимость. Только после этого будет возможно сформулировать конкретные предложения по экспериментальной реализации и приступить к практическому созданию новых типов молекулярных транзисторов и устройств на их основе.

Подробнее с результатами работы можно ознакомиться в статье журнала Scientific Reports.