Realizzato un transistor da una singola molecola

Un gruppo di ricercatori di composizione internazionale ha dimostrato per la prima volta che una singola molecola è in grado di fungere da transistor ad effetto di campo quando circondata di atomi che operano come gate. Il gruppo di ricercatori ha pubblicato i risultati della sperimentazione nell'edizione di agosto 2015 della rivista Nature Physics.

Gli esperimenti sono stati condotti a Berlino presso il Paul-Drude-Institut für Festköperelektronik, in collaborazione con i ricecatori della Free University di Berlino, dell'NTT Basic Research Laboratories in Giappone e con l'U.S. Naval Research Laboratory di Washington, D.C.

I ricercatori hanno impiegato una tecnica dimostrata per la prima volta dai ricercatori IBM nel 1990 quando crearono la famosa scritta I B M muovendo singoli atomi su una superficie metallica grazie al microscopio ad effetto tunnel (di seguito STM - Scanning Tunneling Microscope). Perché la molecola funzioni come transistor, i ricercatori hanno dovuto depositarla - assieme agli atomi di indio con carica che la circondano per formare il gate - su una superfice di arseniuro di indio, semiconduttore, invece che su un metallo.

Questa operazione era attesa essere particolarmente difficile, dal momento che le molecole su una superficie di un semiconduttore tendono ad unirsi con legami covalenti, particolarmente forti, rendendo difficile muovere gli atomi con la punta STM. Ma i ricercatori hanno usato una molecola di ftalocianina di rame che è vincolata alla superficie del semiconduttore tramite le forze di van der Waals, molto più deboli e che permettono alla molecola di muoversi facilmente. Il debole legame consente inoltre il passaggio di corrente tra la punta dell'STM e la molecola. "Si ottiene un tunneling sequenziale tra punta, molecola e superficie" osserva Stefan Flösch, senior scientist del PDI e coordinatore dell'attività di ricerca. In questo modo la molecola funziona come canale, la punta si comporta invece da sorgente (source) e il substrato semiconduttore da pozzo (drain).

In un normale transistor la corrente attraverso il canale è controllata modulando la tensione del gate. Chiaramente questo non è possibile con questa configurazione, dove gli atomi di gate hanno una carica fissa. E' però possibile imitare la modulazione del campo elettrico variando la distanza tra il canale e il gate. "Abbiamo creato un particolare configurazione di potenziale elettrostatico sulla superficie collocando atomi carichi in una determinata geometria dove stiamo muovendo la molecola su una linea fissa. In ogni nuova posizione la molecola percepisce un potenziale elettrostatico differente creato da questi gate su scala atomica".

Il gating del canale è differente da quanto siamo abituati a vedere con un transistor convenzionale. Il meccanismo con cui l'intensità del campo elettrostatico controlla la corrente attraverso il canale è abbastanza inusuale, specie dal momento che modifica lo stato quantistico della molecola. Il gate controlla lo stato di carica nella molecola che a sua volta controlla la capacità degli elettroni di passare tra il gate e la punta dell'STM.

Il risultato degli esperimenti è ancora molto lontano dal trovare applicazioni nei dispositivi commerciali, non solo per via della complessità, ma anche perché una gran parte della fisica coinvolta non è ancora pienamente compresa. "Si tratta di esperimenti basilari con i quali possiamo avere sistemi ideali ed è importante riuscire ad avere una comprensione dettagliata di quel che succede" ha osservato Flösh, il quale precisa che senza il lavoro teoretico compiuto all'NRL e al FUB gli esperimenti non sarebbero arrivati così lontano. Inoltre il percorso del lavoro, compiuto con un STM ad alta precisione ad una temperatura di 4 gradi Kelvin a condizioni di ultra vuoto, implicherebbe un improbo lavoro ingegneristico per un dispositivo commerciale. "E' una lunga strada" ha affermato Flösch.