量子奇异性产生了新的电子学

英特尔的联合创始人戈登摩尔（Gordon Moore）在1965年提出，以半导体技术的惊人进步为例，芯片上的晶体管数量将每年翻倍，这一观测结果的准确性已经得到证实。不过，摩尔不太可能预见到目前正在进行的电子革命的程度。

如今，一种具有独特性能的新型设备正在开发中。随着超小型化进程的不断加快，研究人员开始探索分子尺度上物理和化学性质的交叉点。陶农建是生物信号研究所生物电子学和生物传感器中心主任，亚利桑那州立大学IRA A A.Fulton工程学院教授。

在这个快节奏领域的进展可以改善数据存储和信息处理设备，并有助于分子开关的发展，以及其他创新。

亚利桑那州立大学的陶农建和他的合作者最近描述了一系列关于单分子电导的研究。以这种极微小的规模创造电子产品带来了许多挑战。在超微小的世界里，量子世界的特殊性质占据着主导地位。在这里，电子以电流的形式流动就像波一样，并受到一种称为量子干涉的现象的影响。操纵这一量子现象的能力可能有助于为具有不寻常特性的新型纳米电子器件打开大门。

“我们不仅对测量单个分子中的量子现象感兴趣，而且对它们进行控制。这使我们能够了解分子系统中的基本电荷传输，并研究新的器件功能，”陶说。

陶是生物电子学和生物传感器生物信号中心主任。在发表在《自然材料》杂志上的研究中，陶和来自日本、中国和英国的同事概述了一项实验，其中一个有机分子悬浮在一对电极之间，电流通过这个微小的结构。

研究人员研究了分子间的电荷传输特性。他们证明了被称为量子干涉的电子的幽灵似波的性质可以在分子的两种不同构型中被精确地调制，即对位和偏位。

结果表明，量子干涉效应可以引起分子尺度器件电导特性的实质性变化。通过控制量子干涉，研究小组发现单个分子的电导可以在两个数量级上进行微调。精确、连续地控制量子干涉被认为是未来大范围、高速、低功耗的分子尺度电子学发展的关键因素。

这种单分子器件可以潜在地充当晶体管、电线、整流器、开关或逻辑门，并可能进入未来的应用领域，包括超导量子干涉器件、量子密码术和量子计算。

在目前的研究中，使用了能以不同构型出现的环状碳氢化合物分子，因为它们是模拟分子电子学行为的最简单和最通用的候选者之一，并且是观察纳米级量子干涉效应的理想选择。

为了探测电荷在单个分子中的运动方式，我们进行了所谓的断裂连接测量。测试包括使用扫描隧道显微镜（STM）。研究中的分子被放置在金基质和STM装置的金端之间。STM的尖端反复引入和脱离与分子的接触，在电流通过每个终端时破坏和重整连接。

记录了数千条电导与距离的关系曲线，其中两个分子的特殊分子特性用于改变通过结的电子流的实验。对位结构中的分子比元结构中的分子表现出更高的电导，这表明分子中存在着构造性和破坏性的量子干涉。

利用一种称为电化学选通的技术，研究人员能够连续地将电导控制在两个数量级以上。在过去，改变量子干涉特性需要对用于该器件的带电分子进行修改。目前的研究标志着单分子电导调节的首次出现。

作者指出，分子尺度上的电导受到分子电子轨道量子干涉的敏感影响。具体地说，在单分子中，最高占位分子轨道或HOMO和最低未占位分子轨道或LUMO之间的干扰似乎是电导的主要决定因素。利用电化学栅极电压，分子中的量子干涉可以被微调。

研究人员在理论计算和实验结果之间证明了很好的一致性，这表明，对电导的贡献是对副分子的加性，从而产生建设性干扰，对meta的减性，从而导致破坏性干扰，就像水中的波可以与根据相位，形成一个较大的波或相互抵消。

虽然之前已经进行了单分子电荷输运的理论计算，但实验验证必须等待纳米技术、扫描探针显微镜和形成分子与金属表面电功能连接的方法方面的一些进展。现在，由于能够通过操纵量子干涉来细微地改变电导，分子电子学领域正面临着广泛的创新。