量子干涉可能会带来更小更快更节能的晶体管

来自伦敦玛丽女王大学、牛津大学、兰卡斯特大学和滑铁卢大学的国际研究小组开发了一种新型单分子晶体管，利用量子干涉来控制电子流动。《自然纳米技术》上发表的一篇论文描述了这种晶体管，为在电子设备中使用量子效应开辟了新的可能性。

晶体管是现代电子产品的基本构建模块。它们用于放大和切换电信号，对于从智能手机到宇宙飞船的一切都至关重要。然而，传统的晶体管制造方法(涉及将硅蚀刻成微小通道)已达到其极限。

随着晶体管变得越来越小，它们的效率越来越低，并且容易出错，因为即使在应该关闭的情况下，电子也可能通过一种称为量子隧道效应的过程泄漏通过该器件。研究人员正在探索新型的开关机制，可以与不同的材料一起使用以消除这种影响。

在玛丽皇后学院物理与化学科学学院JanMol教授、JamesThomas博士及其小组研究的纳米级结构中，量子力学效应占主导地位，电子表现为波而不是粒子。利用这些量子效应，研究人员构建了一种新的晶体管。

晶体管的导电沟道是单个锌卟啉，这是一种可以导电的分子。卟啉夹在两个石墨烯电极之间，当向电极施加电压时，可以使用量子干涉来控制通过分子的电子流。

干涉是当两个波相互作用并相互抵消(相消干涉)或相互增强(相长干涉)时发生的现象。在新晶体管的例子中，研究人员通过控制电子流经锌卟啉分子时是建设性(开启)还是破坏性(关闭)干扰来打开和关闭晶体管。

研究人员发现，这种新型晶体管具有非常高的开/关比，这意味着它可以非常精确地打开和关闭。破坏性量子干涉在这方面发挥着至关重要的作用，它可以消除当晶体管应该关闭时量子隧道穿过晶体管时产生的泄漏电子流。

他们还发现晶体管非常稳定。以前由单分子制成的晶体管只能表现出少量的开关周期。然而，该装置可以运行数十万次循环而不发生故障。

“量子干涉是一种强大的现象，有可能在各种电子应用中得到广泛应用，”该研究的主要作者、玛丽皇后学院量子技术讲师詹姆斯·托马斯博士说。“我们相信我们的工作是实现这一潜力的重要一步。”

“我们的结果表明，量子干涉可以用来控制晶体管中的电子流动，并且可以通过一种既高效又可靠的方式来实现，”合著者扬·莫尔教授说。“这可能会导致新型晶体管的开发，它们比现有设备更小、更快、更节能。”

研究人员还发现，量子干涉效应可用于改善晶体管的亚阈值摆幅，这是衡量晶体管对栅极电压变化敏感程度的指标。亚阈值摆幅越低，晶体管的效率越高。

研究人员的晶体管的亚阈值摆幅为140mV/dec，这比报道的其他单分子晶体管的亚阈值摆幅要好，并且与由碳纳米管等材料制成的大型器件相当。

该研究仍处于初始阶段，但研究人员乐观地认为，这种新型晶体管可用于制造新一代电子设备。这些设备可用于各种应用，从计算机和智能手机到医疗设备。