利用量子干涉的分子晶体管：新器件的运行接近能源效率的物理极限
来源：EETOP
新器件的运行接近能源效率的物理极限。
晶体管的尺寸不断缩小，可以在更小的空间内容纳更多的计算能力，但在此过程中存在一个很大的量子力学问题：在微小的器件中，电子会出现泄漏，这不仅会耗费能量，还会降低性能。
而如今，一组研究人员证明了情况不一定如此。该研究团队的成员来自加拿大、英国和意大利，他们已经研发出了一种单分子晶体管，可利用量子效应大大提高效率。
在低温条件下，这种单分子器件仅需栅极电压很小的变化，即可出现强大的电流变化，接近被称为亚阈摆幅的物理极限。如果接近或超过这个极限，开关晶体管就可利用更低的电压，使其更高效，产生更少的废热。该研究团队利用量子干涉改变单个分子中的电流，实现了这一目标。
该设计避开了传统晶体管微型化的陷阱。伦敦玛丽女王大学的量子技术专家詹姆斯•托马斯（JamesThomas）说：“随着晶体管变得越来越小，从源极到漏极会出现电子的量子穿隧效应，这意味着你无法真正关闭晶体管。这几乎是晶体管微型化不可避免的影响。”
托马斯及其同事想为电子提供另一条路径，所以他们精心设计了一个单分子晶体管来控制电子的流动。该晶体管是一个锌卟啉分子，一端固定在石墨烯源极上，另一端固定在石墨烯漏极上。2024年3月，研究人员在《自然•纳米技术》杂志上发表了其研究成果。
根据锌卟啉分子的大小和结构，研究人员将其比作化学乐高积木，电子不会像简单粒子一样通过这个单分子晶体管；相反，其量子力学波动性质占主导地位。晶体管开启时，电子干涉是积极的，互相加强；晶体管关闭时，卟啉通道中的电子干涉是相消的，这意味着该装置几乎没有泄漏电流。
哥伦比亚大学应用物理学家拉塔•文卡塔拉曼（LathaVenkataraman，未参与这项研究）说，最小化晶体管的亚阈值电压是电子工业中的主要障碍之一，这项工作非常接近物理极限。
与早期的单分子晶体管相比，这种新型晶体管可以切换数十万次不损坏。托马斯说，它的性能与碳纳米晶体管相当，但它的通道长度要短得多（只有2.1纳米），碳纳米管器件的通道长度一般为7纳米到10纳米。
伦敦玛丽女王大学的项目物理学家简•摩尔（JanMol）说：“我们已经证明，原则上可以使用相消的量子干涉来做一些有用的事。”尽管如此，他和托马斯并不期望其量子干涉晶体管能很快应用到产品之中。
“单个晶体管的作用没有那么大。”托马斯说。下一步将是在一个芯片上连接多个晶体管，构建简单的逻辑门，然后是简单的计算机。
不过，研究人员不知道如何可靠地制造能够最终影响器件性能的石墨烯电极。“石墨烯电极的结构非常重要。”摩尔说，“必须非常谨慎地处理石墨烯的边缘。”
“这种晶体管的想法源自科学上的好奇心。”摩尔说。有机化学家知道怎样用一个又一个原子来制作分子，因此，如果科学家能够想出如何设计一种分子，使其在晶体管中充当近乎理想的通道，他们就应该能制造出来。
制作量子干涉晶体管花费了大约10年时间，背后是一个由化学家、材料科学家和物理学家组成的团队，还有摩尔所说的耐心。要想用这些晶体管制造器件，将需要更多的努力和耐心。
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