量子干涉或许会导致更小、更快和更节能的晶体管

一项由伦敦玛丽皇后大学、牛津大学、兰开斯特大学和滑铁卢大学的国际研究团队开发的新型单分子晶体管利用量子干涉来控制电子流。这种晶体管打开了在电子设备中利用量子效应的新可能性。

传统上，晶体管是现代电子产品的基本构件，用于放大和切换电信号，对从智能手机到宇宙飞船的一切都至关重要。然而，传统的晶体管制造方法已经接近极限。随着晶体管尺寸变小，它们变得越来越不高效且容易出现错误，因为即使在关闭状态下，电子也会通过设备泄漏，这一过程被称为量子隧道效应。研究人员正在探索使用不同材料的新型开关机制，以消除这一影响。

在玛丽皇后大学物理与化学科学学院教授Jan Mol和James Thomas博士领导的研究小组研究的纳米级结构中，量子力学效应占主导地位，电子表现为波而非粒子。利用这些量子效应，研究人员建立了一种新型晶体管。晶体管的导电通道是单个卟啉锌分子，这是一种可以导电的分子。卟啉锌分子夹在两个石墨烯电极之间，当施加电压到电极时，通过分子的电子流可以利用量子干涉来进行控制。

干涉是两个波相互作用并且要么互相抵消（破坏性干涉），要么互相增强（构造性干涉）的现象。在新型晶体管的情况下，研究人员通过控制电子在流经卟啉锌分子时是构造性干涉（开启）还是破坏性干涉（关闭）来切换晶体管的开关。

研究人员发现，新型晶体管具有非常高的开关比，这意味着可以非常精确地打开和关闭。破坏性量子干涉通过消除从晶体管内的量子隧道效应泄漏的电子流在关闭状态下起到了至关重要的作用。他们还发现该晶体管非常稳定。先前由单个分子制成的晶体管只能展示少数的开关周期，然而这种装置可以在不损坏的情况下操作数十万次。

玛丽皇后大学量子技术讲师James Thomas博士表示：“量子干涉是一种强大的现象，有潜力在各种电子应用中使用。我们相信我们的工作是实现这一潜力的重要一步。”

共同作者Jan Mol教授表示：“我们的研究结果表明，量子干涉可用于控制晶体管中的电子流动，并且这样做既高效又可靠。这可能导致开发出比当前设备更小、更快和更节能的新型晶体管。”

研究人员还发现量子干涉效应可以用于改善晶体管的亚阈值摆动，这是衡量晶体管对栅极电压变化敏感程度的指标。亚阈值摆动越低，晶体管越高效。研究人员的晶体管亚阈值摆动为140 mV/dec，比其他单分子晶体管报告的亚阈值摆动更好，并且与碳纳米管等材料制成的较大设备相媲美。

这项研究仍处于初期阶段，但研究人员对新型晶体管能够用于创建新一代电子设备持乐观态度。这些设备可以用于各种应用，从计算机、智能手机到医疗设备。