Kwantummechanisch schakelen bij kamertemperatuur

Elektrongolven kunnen elkaar versterken, maar ze kunnen elkaar ook tegenwerken. Dit heet destructieve interferentie. Uit metingen aan kleine structuren bij lage temperaturen was het al bekend dat dit kan leiden tot een lagere geleiding. Een team van wetenschappers van onder andere de Universiteit Leiden en de Rijksuniversiteit Groningen heeft nu experimenteel bewijs gevonden dat dit effect ook kan plaatsvinden bij kamertemperatuur. Het team maakte daarbij gebruik van het feit dat heel kleine systemen (zoals moleculen) zich zelfs bij kamertemperatuur kwantummechanisch gedragen. Het artikel verscheen zondag 25 maart 2012 in Nature Nanotechnology.

Het team van scheikundigen en natuurkundigen bouwde vijf verschillende, heel kleine moleculen om te testen op elektrische geleiding (zie figuur rechts). Met hun experiment laten ze zien dat er principieel nieuwe mogelijkheden ontstaan als we moleculen gebruiken als elektrische stroomdraadjes. Ze maakten drie moleculen (rechts) met een lineair geconjugeerde structuur. Deze moleculen laten elektronen door via één dominante route door het molecuul. Dit levert een stroom op als er spanning op het molecuul wordt gezet. De twee andere moleculen (links) zijn kruisgeconjugeerd: ze hebben een dubbele koolstof-zuurstofbinding symmetrisch rond het midden. Hierdoor ontstaan er twee mogelijke routes voor een elektron door het molecuul. Eentje rechtdoor en eentje met een omweg in een van de zuurstofarmen (zie figuur onder).

De theorie is: het elektron gedraagt zich als een golf. Deze golf kan zich opsplitsen in verschillende golfjes die elk met hun eigen route door het kruisgeconjugeerde molecuul lopen. Deze golfjes ontmoeten elkaar weer aan het eind van het molecuul. Als de golven precies in tegenfase lopen (de een gaat net omhoog als de ander net omlaag gaat), heffen ze elkaar op. Er kunnen dan geen (of veel minder) elektronen door het molecuul lopen en de stroom wordt dus klein of nul.

Bij de twee kruisgeconjugeerde moleculen bleken de metingen heel goed te kloppen met deze theorie. Het feit dat elektrongolven elkaar kunnen uitdoven, en dat dit leidt tot een lagere geleiding, was al wel bekend voor grotere structuren bij heel lage temperaturen. Doordat de onderzoekers kleine moleculen gebruikten – zo’n twee nanometer lang – zijn ze er nu in geslaagd het principe bij kamertemperatuur te bewijzen.

Aan en uit

De onderzoekers laten in hun artikel zien dat de destructieve kwantuminterferentie kan worden aan- en uitgezet door de juiste chemische zijgroep te kiezen in het midden van het molecuul. Een zijarm met zuurstof (dubbele binding) zorgt voor destructieve interferentie en dus voor een slechtere geleiding; een zijarm met waterstof (enkele binding) geeft geen destructieve interferentie. Het verschil tussen die twee bleek bovendien opvallend groot: ongeveer een factor 100 in de geleiding.

Toepassingen?

Is het mogelijk om praktische elektrische toepassingen te maken met moleculen als werkend element? Dat is nog een open vraag. Er kleven namelijk ook nadelen aan moleculaire geleiding, vooral waar het gaat om stabiliteit. Als volgende stap bekijkt het team nu of het mogelijk is om de weerstand van een molecuul te schakelen door de interferentie aan en uit te zetten. Hiervoor hebben de chemici in Groningen inmiddels al een kandidaat-molecuul gesynthetiseerd.

Het onderzoek werd uitgevoerd door scheikundigen Hennie Valkenier en Kees Hummelen  van de Universiteit Groningen, theoretisch natuurkundigen Troels Markussen en Kristian Thygesen van de TU Denemarken en experimenteel natuurkundigen Constant Guédon en Sense Jan van der Molen van de Universiteit Leiden. Het onderzoek werd mede gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek NWO.

Contact: Prof.dr. Kees Hummelen

Dit bericht is overgenomen van NWO, voor origineel zie NWO

Zie ook: Kees Hummelen: ‘Nu wordt het pas echt interessant’

En: Univeriteit Leiden - Moleculen aan- en uitzetten

Artikel: Observation of quantum interference in molecular charge transport, Constant M. Guédon, Hennie Valkenier, Troels Markussen, Kristian S. Thygesen, Jan C. Hummelen en Sense Jan van der Molen. Nature Nanotechnology, online: 25 maart 2012. DOI:10.1038/NNANO.2012.37