الحد الأعلى

ولاختبار التوصيل الجزيئي، يقوم العلماء ببناء أجهزة كهربائية تتكون من أقطاب كهربائية معدنية مع اختبار الجزيء فيما بينها. عادة، يتم ربط الجزيء بالأقطاب الكهربائية عبر مجموعات كيميائية جانبية تحافظ على الانفصال، وبالتالي يحتفظ الجزيء بخصائصه إلى حد كبير. في هذه الدراسة، اختار الدكتور طال وأعضاء مجموعته التخلي عن المجموعات الجانبية، من أجل إزالة العائق المحتمل أمام المرور الفعال لتيار الإلكترون. استخدموا جهازًا داخل حجرة فارغة (فراغ)، يقوم بتبريد سلك معدني بسمك الشعرة إلى درجة حرارة 269 درجة مئوية تحت الصفر، ثم ثنيه، بحيث يتناقص السلك في المركز إلى سمك ذرة واحدة، ثم ينكسر في النهاية. في الفراغ الذي تم إنشاؤه بين جزأين من السلك الذي ينتهي بطرف ذري، يتم التقاط الجزيء قيد النظر من عدد كبير من الجزيئات التي تم إطلاقها في فضاء الخلية، وهكذا يتم تشكيل الوصلة الجزيئية.

يقول الدكتور تال: «نقوم بإنشاء اتصال بين الجزيء والمعدن، وتخلق الواجهة خصائص جديدة». "على سبيل المثال، اكتشفنا منذ عام تقريبًا أنه إذا وضعت جزيءًا من الأكسجين بين قطبين كهربائيين من النيكل، فإن الجزيء يتفكك إلى ذرات تربط الأقطاب الكهربائية. يسمح الوصل الذري الناتج بمرور الإلكترونات ذات الدوران في اتجاه واحد فقط، وهي ميزة مرغوبة جدًا في مجال الإلكترونيات السبينية - الإلكترونيات المعتمدة على الدوران. وهذا مثال على السلوك الجديد الذي تم إنشاؤه عند التفاعل بين المواد المختلفة، والذي لا يميز كل مادة على حدة."

للحصول على موصلية عالية في الوصلات الجزيئية، يتم استخدام جزيئات يكون فيها بعض الإلكترونات حرة، ويمكن العثور عليها في أي مكان على الجزيء. تم ربط الجزيئات مباشرة بين قطبين كهربائيين معدنيين بحيث تتحد مدارات الإلكترون على الجزيء إلى حد ما مع مدارات الإلكترونات المعدنية المتنقلة. في التوصيل هناك تنافس بين اتجاهين متعارضين: من ناحية، كلما كان الجزيء أطول، كلما زادت مستويات طاقته مع مستويات المعدن، وبالتالي يكون التوصيل أفضل؛ من ناحية أخرى، بما أن الجزيء أطول، فإن مدار الإلكترون الموجود على الجزيء ينتشر على بنية أطول، بحيث يكون مدى تداخله مع المعدن أقل، مما يحد من التوصيل.

في الدراسة، التي أجروها بالتعاون مع مجموعات البحث للبروفيسور فرديناند إيبرس من ألمانيا والبروفيسور كولين نيكلز من الولايات المتحدة، وجد العلماء أنه في الوصلة الجزيئية مع الأقطاب الكهربائية الفضية، عندما يكون الجزيء قصيرًا نسبيًا، الاتجاه الأول هو السائد، وتزداد التوصيلية مع زيادة طول الجزيء، حتى نقطة التشبع في الاتجاهات التي تلغي بعضها البعض. من ناحية أخرى، عند الوصل مع أقطاب البلاتين، يكون اندماج مدارات الإلكترون الجزيئي مع مدارات المعدن فعالًا للغاية، ويتصرف الجزيء كاستمرار للمعدن، بحيث يكون التوصيل من خلاله مشبعًا ومماثلًا. المعدن، أي أنه ليس حساسًا للاختلافات في التركيب الإلكتروني للجزيئات ذات الأطوال المختلفة.

يقول الدكتور تال: "لقد تمكنا من التحقق لأول مرة من الحد الأعلى للتوصيل عند الوصلة الجزيئية، وأظهرنا أن طبيعة التفاعل بين القطب الكهربائي والجزيء تملي الآلية التي تحد من التوصيل عبر الجزيء". . "نحن مهتمون بتعلم كيفية التحكم في التوصيل الكهربائي عند حافة التصغير الإلكتروني. ونظرًا للثراء الهيكلي للجزيئات، فإن استخدامها كجهاز إلكتروني يسمح لنا بالبحث عن مبادئ عامة للتحكم في التوصيل الكهربائي على مقياس النانومتر - وهي مبادئ يمكن أن تكون مفيدة أيضًا في أنظمة النانومتر الأخرى.