На кафедре КФН разрабатывают теоретические основы молекулярной электроники
Британский журнал Physical Chemistry Chemical Physics опубликовал результаты совместных исследований НИУ МИЭТ и ФИАН им. П.Н. Лебедева, в ходе которых были изучены проявления конструктивной и деструктивной квантовой интерференции в процессе когерентного переноса заряда в молекулярных проводниках.
Авторы статьи (Николай Шубин, Алексей Емельянов, Юрий Успенский и Александр Горбацевич) разработали аналитическую модель, которая описывает явление слияния антирезонансов – минимумов в спектре туннельной прозрачности. При изменении некоторого параметра системы два минимума с нулевым значением прозрачности в каждом, приближаясь друг к другу, могут слиться в один минимум с прозрачностью, отличной от нуля. При этом положение энергий антирезонансов математически соответствует поведению собственных значений некоторого неэрмитового PT-симметричного оператора, которые могут слиться в особой точке (ОТ) и превратиться из пары действительных (соответствующих двум различным минимума с нулевой прозрачностью) в пару комплексно-сопряженных (соответствующих отсутствию минимумов с нулевой прозрачностью). Результаты модели были подтверждены расчетами из первых принципов (ab initio) для молекулы циклобутадиена в специализированной программе Synopsys Quantum ATK.
Также ученым удалось исследовать взаимное влияние антирезонансов и резонансов (максимумов туннельной прозрачности) – совпадение их энергий приводит к появлению связанного состояния в непрерывном спектре (ССНС). ССНС – это состояние, в котором частица остается локализованной в пространстве, но при этом обладает энергией, лежащей в области непрерывного спектра. Такое явление в других системах было известно и ранее, однако образование ССНС в молекулярных структурах в этой работе было продемонстрировано впервые. В молекуле ССНС представляет собой сильно локализованную молекулярную орбиталь, которая не связана с электродами и не участвует в транспорте носителей заряда.
«На примере молекулы бензола мы показали, что в симметричной конфигурации при пара- подключении образуется ССНС и отсутствуют антирезонансы. Добавление радикальных групп слегка меняет геометрию молекулы, нарушается ее симметрия и ССНС разрушается. При этом образуется узкий антирезонанс, мешающий транспорту электронов при определенной энергии. Именно этот результат мы и отразили в художественной иллюстрации, которую редакторы журнала нам предложили разместить на обложке», – прокомментировал один из соавторов, доцент кафедры квантовой физики и наноэлектроники (КФН) Николай Шубин.
Возможности применения связаны с перспективами решения одной из центральных проблем современной наноэлектроники – снижения энергопотребления. Ключевым подходом к решению этой проблемы служит разработка механизмов управления током, основанных на качественно новых физических принципах. Одним из вариантов является молекулярная электроника, предлагающая использование одиночных молекул вместо транзисторов в качестве «рабочих лошадок» микросхемы. Туннельный транспорт носителей заряда через одиночные молекулы описывается законами квантовой механики и, соответственно, в нем проявляется квантовая интерференция. Результаты работы научного коллектива представляют собой теоретическую основу для понимания особенностей таких процессов и естественным образом могут быть применены для разработки правил дизайна перспективных базовых элементов молекулярной электроники.
Исследования проводятся в рамках проекта Российского научного фонда № 21-19-00808 и госзадания МИЭТ (тема 075-03-2020-216, код 0719-2020-0017).