独特的分子可能导致更小、更高效的计算机

今天，我们大多数人手里都拿着一台功能相当强大的电脑——智能手机。但电脑并不总是那么便携。自20世纪80年代以来，它们变得更小、更轻，能够更好地存储和处理大量数据。然而，为计算机提供动力的硅芯片只能变得这么小。

“在过去的50年里，我们可以放在芯片上的晶体管数量每两年翻一番，”迈阿密大学文理学院物理学助理教授Kun Wang说。“但我们正在迅速达到硅基电子产品的物理极限，使用我们使用了半个世纪的电子元件使电子元件小型化更具挑战性。”

这是王和他分子电子学领域的许多人希望解决的问题。具体来说，他们正在寻找一种不使用硅或金属来导电的方法，硅或金属目前用于制造计算机芯片。将微小分子材料用于电子芯片中的晶体管、传感器和互连等功能组件具有几个优势，特别是在传统的硅基技术接近其物理和性能极限的情况下。

但是为这种分子找到理想的化学组成一直困扰着科学家。最近，王和他的研究生Mehrdad Shiri和Shaocheng Shen，以及合作者佐治亚理工学院副教授Jason Azoulay和罗切斯特大学教授Ignacio Franco发现了一个有前景的解决方案。

本周，该团队分享了他们认为是世界上导电性最强的有机分子。他们的发现发表在《美国化学学会杂志》上，为在分子尺度上构建更小、更强大的计算设备开辟了新的可能性。更好的是，这种分子是由自然界中发现的化学元素组成的，主要是碳、硫和氮。王说：“到目前为止，还没有一种分子材料可以让电子在不显著损失导电性的情况下穿过它。”。“这项工作首次证明有机分子可以让电子在几十纳米内迁移而不会损失任何能量。”

对其独特的新分子的测试和验证花了两年多的时间。

然而，该团队的工作表明，他们的分子在日常环境条件下是稳定的，并且在无与伦比的长度下提供了最高的电导率。因此，它可以为经典计算设备变得更小、更节能、更具成本效益铺平道路，王补充道。

目前，随着分子尺寸的增加，分子传导电子的能力呈指数级下降。王说，这些新开发的分子“线”是未来计算中传输、处理和存储信息所需的高速公路。王指出：“我们分子系统的独特之处在于，电子像子弹一样穿过分子而没有能量损失，因此从理论上讲，这是任何材料系统中电子传输的最有效方式。”。“它不仅可以缩小未来电子设备的尺寸，而且其结构还可以实现硅基材料甚至无法实现的功能。”

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王的意思是，分子的能力可能会创造新的机会，彻底改变基于分子的量子信息科学。

“在我们的分子中观察到的超高电导率是分子两端电子自旋有趣相互作用的结果，”他补充道。“未来，人们可以将这种分子系统用作量子比特，这是量子计算的基本单位。”

研究小组通过在扫描隧道显微镜（STM）下研究他们的新分子，发现了这些能力。使用一种称为STM断裂结的技术，该团队能够捕获单个分子并测量其电导率。

研究生Shiri补充道：“就应用而言，这种分子是向现实世界应用的一大飞跃。由于它具有化学稳定性和空气稳定性，它甚至可以与芯片中现有的纳米电子元件集成，并作为芯片之间的电子线或互连。”

除此之外，组成分子所需的材料价格低廉，可以在实验室中创建。