Un team internazionale di ricercatori ha dimostrato per la prima volta che una singola molecola può operare con transistor a effetto di campo quando è circondata da atomi caricati che operano come un gate.
L'esperimento, pubblicato su Nature Physics, è stato effettuato a Berlino presso il Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI), in collaborazione con ricercatori della Free University of Berlin (FUB), degli NTT Basic Research Laboratories (NTT-BRL) giapponesi e con l'aiuto dello U.S. Naval Research Laboratory (NRL).
Per raggiungere il proprio scopo i ricercatori si sono avvalsi di una tecnica dimostrata per la prima volta da IBM nel 1990, quando l'azienda creò le lettere I, B e M spostando singoli atomi su una superficie metallica con un microscopio a effetto tunnel (STM).
Per far funzionare la molecola come un transistor i ricercatori hanno dovuto depositarla (insieme agli atomi di indio carichi che la circondavano, formando il gate) su un semiconduttore, in questo caso l'arseniuro di indio, piuttosto che il metallo.
Questa operazione si è dimostrata più complicata del previsto, in quanto le molecole sui semiconduttori sono solite unirsi con legami covalenti, che sono molto forti e rendono difficile spostare gli atomi con la punta del microscopio. I ricercatori hanno così usato una molecola, un colorante chiamato ftalocianina di rame, posizionata sulla superficie del semiconduttore tramite forze di van der Waals.
Si tratta di forze più deboli, che hanno permesso di spostare facilmente la molecola. Il debole legame ha inoltre favorito lo scorrimento di una corrente dalla punta del microscopio alla molecola. "Si crea un tunneling sequenziale tra la punta, la molecola e la superficie", ha affermato Stefan Fölsch, che ha guidato il team di ricercatori.
In questo modo la molecola funziona come un canale, con la punta e il substrato semiconduttore che si comportano come gli elettrodi source e drain (sorgente e pozzo).
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In un normale transistor la corrente che passa tramite il canale è controllata modulando la tensione del gate. Chiaramente questo non è possibile in tale configurazione dove gli atomi che costituiscono il gate hanno una cariche fisse. Invece è possibile mimare la modulazione di un campo elettrico variando la distanza tra il canale e il gate.
"Abbiamo creato un determinato potenziale elettrostatico sulla superficie posizionando atomi caricati in una specifica geometria funzionale allo spostamento della molecola su una linea fissa", ha affermato Fölsch. "In ogni nuova posizione la molecola sente il diverso potenziale elettrostatico creato da questi gate in scala atomica".
La ricerca presenta tuttavia ancora diversi punti oscuri. Il gating del canale è diverso da quello che è usato con transistor tradizionali e il meccanismo con cui l'intensità del campo elettrostatico controlla la corrente attraverso i canali è altrettanto sconosciuto, nel senso che cambia lo stato quantistico della molecola.
Lontane (lontanissime) le applicazioni pratiche, non solo perché la fisica in gioco deve ancora essere capita ma anche perché è stato usato un microscopio in condizioni di vuoto assoluto a una temperatura di 4 gradi Kelvin (-269 °C).