Transístor molecular opera tirando proveito da interferência quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/04/2024

Arquitetura do transistor molecular e a transmissão mediada por interferência quântica.
[Imagem: Zhixin Chen et al. - 10.1038/s41565-024-01633-1]

Transístor com efeito quântico

Uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu um novo transístor molecular - um transístor formado por uma única molécula - que usa a interferência quântica para controlar o fluxo de elétrons.

Esse novo componente eletrônico - que usa efeitos quânticos mas ainda é um transístor clássico, adequado para os computadores atuais - abre novas possibilidades de utilização dos efeitos quânticos em aparelhos eletrônicos - já existem transistores baseados no tunelamento quântico, o fenômeno pelo qual os elétrons atravessam barreiras sólidas.

O feito é importante porque o método tradicional de fabricação de transistores, que envolve escavar minúsculos canais no silício, está atingindo seus limites. À medida que os transistores ficam menores, eles se tornam cada vez mais ineficientes e suscetíveis a erros, uma vez os elétrons podem vazar através do componente mesmo quando ele deveria estar desligado - isso se deve ao mesmo processo de tunelamento quântico usado para fazer outros transistores funcionarem.

Por isso, os pesquisadores estão explorando novos tipos de mecanismos de comutação que possam ser usados com diferentes materiais para eliminar esse efeito quando ele é indesejado.

Interferência quântica

O primeiro grande avanço deste novo transístor está na miniaturização, já que partir de uma molécula só perde para os transistores atômicos, que ainda são apenas curiosidades de laboratório.

O canal condutor do transístor é uma única porfirina de zinco, uma molécula capaz de conduzir eletricidade, ensanduichada entre dois eletrodos de grafeno. Quando uma tensão elétrica é aplicada aos eletrodos, o fluxo de elétrons através da molécula pode ser controlado usando interferência quântica - e este é o segundo avanço.

A interferência é um fenômeno que ocorre quando duas ondas interagem entre si e se cancelam (interferência destrutiva) ou se reforçam (interferência construtiva) - lembre-se que, vistos individualmente, os elétrons podem ser encarados como partículas ou como ondas. No caso do novo transístor, os pesquisadores ligaram e desligaram o componente controlando se os elétrons interferem construtivamente (ligados) ou destrutivamente (desligados) à medida que fluem através da porfirina.

À medida que a distância coletor-emissor de um transistor se aproxima da escala nanométrica, a transmissão mediada por tunelamento quântico através da barreira de energia potencial que cria um estado desligado aumenta exponencialmente, levando a uma alta corrente de fuga e degradando o funcionamento do componente.
[Imagem: Zhixin Chen et al. - 10.1038/s41565-024-01633-1]

Transístor molecular robusto

O transístor molecular apresentou uma relação liga/desliga muito alta, o que significa que ele pode ser ligado e desligado com muita precisão. A interferência quântica destrutiva desempenha um papel crucial nisso, eliminando o vazamento de elétrons por tunelamento quântico quando ele está desligado. O transístor também mostrou-se muito estável, funcionando por centenas de milhares de ciclos sem quebrar - transistores moleculares anteriores só foram capazes de funcionar por alguns poucos ciclos de comutação.

A pesquisa ainda está em fase inicial, mas os pesquisadores estão otimistas de que o novo transistor poderá ser usado para criar uma nova geração de dispositivos eletrônicos.

"Nossos resultados mostram que a interferência quântica pode ser usada para controlar o fluxo de elétrons em transistores, e que isso pode ser feito de uma forma eficiente e confiável," disse o professor Jan Mol, coordenador da equipe. "Isso pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de transistores que sejam menores, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos do que os componentes atuais."

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