由哥倫比亞工程學院Latha Venkataraman教授領導的研究人員發現了一種新的化學設計原理，用於利用破壞性量子幹擾。他們用新方法創造了一個六納米的單分子開關，其導通電流比非導通電流大10000多倍，這是迄今為止單分子電路實現的最大電流變化。
這種新的開關依靠的是一種量子幹擾，而這種幹擾到目前為止還沒有被探索過。研究人員使用具有特殊中心單元的長分子來增強不同電子能級之間的破壞性量子幹擾。他們的方法可以在室溫下產生非常穩定和可重複的單分子開關，在導通狀態下可以攜帶超過0.1微安的電流。該開關的長度與目前市場上最小的計算機晶片的大小相近，其特性也接近商業開關的特性。研究成果發表在《Nature Nanotechnology》上。
"我們觀察到了跨越六納米分子線的傳輸，這是非常難得的，因為很少觀察到跨越如此長尺度的傳輸，" Venkataraman說。"事實上，這是我們在實驗室中測量到的最長的分子。"
在過去的45年裡，電晶體尺寸的穩步下降使計算機處理能力得到了極大的改善，器件尺寸也不斷縮小。今天的智慧型手機包含數億個由矽製成的電晶體。然而，目前製造電晶體的方法正在迅速接近矽的尺寸和性能極限。因此，如果要推動計算機的發展，研究人員需要開發出能夠與新材料配合使用的開關機制。
Venkataraman的實驗室測量單分子器件的基本特性，尋求理解納米尺度的物理學、化學和工程學的相互作用。
在納米尺度上，電子表現為波而非粒子，電子傳輸通過隧道發生。就像水面上的波一樣，電子波可以建設性地幹擾，也可以破壞性地幹擾。這導致了非線性過程。例如，如果兩個波建設性地相互幹擾，產生的波的振幅（或高度）超過兩個獨立波的總和。兩個波可以通過破壞性幹擾完全抵消。
在分子尺度上，量子力學效應主導著電子傳輸。研究人員早就預言，量子幹涉產生的非線性效應應該可以實現大開關比的單分子開關。如果他們能利用分子的量子力學特性來製造電路元件，就能實現更快、更小、更節能的設備，包括開關。
"用單分子製造電晶體代表了小型化的終極極限，並有可能實現指數級的快速處理，同時降低功耗，"Venkataraman說。"製造穩定並能維持反覆開關周期的單分子器件是一項非同小可的任務。我們的結果為製造單分子電晶體鋪平了道路。"
一個常見的比喻是，把電晶體看成是管道上的閥門。當閥門打開時，水就會流經管道。當它關閉時，水就會被阻斷。在電晶體中，水流被電流的流動所取代。在導通狀態下，電流流動。在關閉狀態下，電流被阻斷。理想情況下，導通態和非導通態的電流量必須非常不同；否則，電晶體就像一個漏水的管道，很難判斷閥門是打開還是關閉。由於電晶體的功能就像開關一樣，所以設計分子電晶體的第一步就是設計可以在導通態和關斷態之間切換電流的系統。然而，過去的大多數設計都是通過使用短分子來製造漏電電晶體，其中通態和斷態之間的差異並不顯著。
"由於量子力學隧道穿越較短長度尺度的概率較大，很難完全關閉短分子中的電流"，該研究的主要作者Julia Greenwald解釋說， "對於長分子來說，情況恰恰相反，由於隧道概率隨著長度的增加而衰減，通常很難實現高導通電流。我們設計的電路由於其長度和大的導通比而獨樹一幟，我們現在能夠同時實現高導通電流和極低的非導通電流。"
長分子很容易在金屬觸點之間捕獲，以創建單分子電路。這種電路非常穩定，可以反覆維持高施加電壓（超過1.5V）。分子的電子結構增強了幹擾效應，使得電流作為外加電壓的函數具有明顯的非線性，從而使導通電流與非導通電流的比例非常大。
目前，研究人員正在繼續與格拉斯哥大學的團隊合作，看看他們的設計方法是否可以應用於其他分子，並開發出一個可以通過外部刺激觸發開關的系統。
論文標題為《Highly nonlinear transport across single-molecule junctions via destructive quantum interference》。