Немецкие физики создали выключатель из одной молекулы

11 декабря 2011 года

Немецкие физики создали устройство из одной органической молекулы, способное переключаться между разными режимами проводимости при изменении положения одного или двух атомов водорода внутри "ключа", и представили его в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.

Вилли Аувертер (Willi Auwarter) и его коллеги из Мюнхенского технического университета в городе Гархинг (Германия) наблюдали за тем, как ведут себя молекулы тетрафенил-порфирина - органического вещества из восьми углеводородных колец и четырех атомов кислорода и азота - при температуре в 6 градусов Кельвина.

Физики обнаружили, что атомы азота на внутренней части молекулы "жонглируют" двумя атомами водорода - иными словами, протоны постоянно "прыгают" с одного атома азота на соседний. В одном положении атомы водорода оказываются на одной линии с атомами кислорода на внешней части молекулы, во втором - расположены перпендикулярно воображаемой линии между атомами кислорода.

Ученые изучили структуру этой молекулы при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Это устройство считывает "рельеф" молекул при помощи импульсов электрического тока, которые подаются через сверхтонкую металлическую иглу.

Как отмечают исследователи, пространственная структура таких молекул похожа на выгнутое седло при параллельном расположении атомов водорода и кислорода, и на вогнутое - при взаимной перпендикулярности "водородной" и "кислородной" линий.

Аувертер и его коллеги обнаружили, что один тип молекулы тетрафенил-порфирина может свободно переходить в другой, если микроскоп подавал напряжение, превышающее некий критический порог. С другой стороны, подача небольшого напряжения на молекулу стабилизирует ее, подавляя самостоятельное "жонглирование" атомами водорода.

В ходе экспериментов ученые обнаружили, что в "параллельной" форме молекула относительно хорошо проводит ток, тогда как в "перпендикулярной" она оставалась практически непроницаемой для потока электронов, поступающего с жала микроскопа.

Затем физики превратили молекулярный "выключатель" в систему из четырех переключателей, удалив один из атомов водорода из внутренней части кольца. Как и ожидали ученые, эксперименты с тоннельным микроскопом подтвердили существование четырех раздельных уровней проводимости.

Ученые измерили скорость переключения молекулы при повышении силы тока. Линейный рост частоты "щелчков" выключателя ясно указал ученым на то, что для перехода в другое состояние их изобретению требуется всего один электрон. Это справедливо как для молекулы с двумя, так и с одним атомом водорода.

Как полагают исследователи, молекула меняет свое состояние благодаря вибрациям, которые возникают при пролете электрона через кольца порфиринов. Колебания в углеводородных кольцах разрывает связь между атомом азота и водорода, который сразу же захватывается другим атомом азота.

Авторы статьи считают, что компактность и нейтральность их изобретения поможет ему стать основой для создания более сложных электронных устройств на основе одиночных молекул.