隨著晶體管變得越來越小，以便在更小的占地面積內容納更多的計算能力。一個由英國、加拿大和意大利研究人員組成的團隊開發了一種利用量子效應的單分子晶體管，利用量子干涉來控制電子流。

這一成果為在電子設備中使用量子效應帶來了新的可能性，有望催生比現有設備更小、更快、更節能的新型晶體管（https://spectrum.ieee.org/tag/transistor），以制造新一代電子設備。在低溫下，單分子器件顯示出電流的強烈變化，柵極電壓只有很小的變化，接近被稱為亞閾值擺動的物理極限（https://en.wikipedia.org/wiki/Subthreshold_slope）。接近或超過這一極限將允許晶體管以更低的電壓進行切換，使其更高效，產生更少的廢熱。包括倫敦瑪麗女王大學物理學家在內的研究團隊利用量子干涉如何改變單分子中的電流來實現這一點。

“We’ve demonstrated, in principle, that you can use destructive quantum interference for something useful.”

—JAN MOL, QUEEN MARY UNIVERSITY OF LONDON

這種設計避開了傳統晶體管小型化的陷阱。倫敦瑪麗女王大學的量子技術專家James Thomas說：“隨著晶體管越來越小，電子就會從源極到漏極進行量子隧穿。” “這意味著你無法真正關閉它，”他說，“這幾乎是小型化的必然結果。”

另一條電子路徑

Thomas和他的同事們想為電子提供另一條路徑，所以他們精心設計了一個單分子晶體管來控制電子的流動。該晶體管由一端固定在石墨烯源極和漏極上的單個鋅卟啉分子（https://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_protoporphyrin#:~:text=Zinc%20protoporphyrin%20(ZPP)%20refers%20to,or%20by%20lack%20of%20iron.）組成。卟啉與血紅素和葉綠素中發現的結構相似。研究小組之所以選擇它，是因為它具有良好的電子性能，而且他們把它比作化學樂高積木。很容易粘附在有助于使分子可溶或與石墨烯化學結合的官能團上（https://www.mdpi.com/1420-3049/22/6/980）。當電壓施加到柵極電極時，電子可以從一個石墨烯電極通過卟啉分子并進入另一個石墨電極。

由于卟啉分子的大小和設計，以及石墨烯電極邊緣的電子行為，電子不會像簡單的粒子一樣通過這個單分子晶體管。它們的波動性占主導地位。當晶體管導通時，電子進行相長干涉，相互增強。當它關閉時，卟啉通道中的電子會相互干擾。這種破壞性干擾意味著該器件幾乎沒有泄漏電流。

哥倫比亞大學的應用物理學家Latha Venkataraman沒有參與這項工作，她說，最小化晶體管的亞閾值電壓是電子行業的主要障礙之一。“它們非常接近極限，”她說。

壽命一直是單分子電子學的一個問題。但量子干涉晶體管可以在不損壞的情況下切換數十萬次。Thomas說，它的性能與碳納米管晶體管相當，但其溝道長度要短得多，因為分子只有2.1納米長。碳納米管器件通常具有7-10nm的通道長度。

倫敦瑪麗女王大學的項目物理學家Jan Mol說：“原則上，我們已經證明，你可以使用破壞性量子干涉來做一些有用的事情。” 盡管如此，他和Thomas預計他們的量子干涉晶體管不會很快出現在產品中。

前方的單分子道路

Thomas說：“單個晶體管并沒有那么有用。”下一步將是在一個芯片上連接多個設備，以構建簡單的邏輯門，然后是一臺簡單的計算機，就像碳納米管晶體管所做的那樣（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.1c01337）。

Thomas提到，這樣的談話是本末倒置。研究人員不知道如何可靠地制造石墨烯電極，因為石墨烯的原子級結構決定了器件的性能。“石墨烯電極的結構非常重要，”Mol說，“你必須非常小心石墨烯的邊緣。”

Mol說：“這種晶體管的想法源于科學的好奇心。”他的團隊對研究電流如何流經分子感興趣。有機化學家知道如何逐個原子地調整分子。如果科學家們能夠想出如何設計一個分子，以便在晶體管中充當近乎完美的通道，他們應該能夠構建它。Mol和其他人正在努力學習使這成為可能的分子設計規則。他說，構建量子干涉晶體管花了大約十年的時間，這是一個由化學家、材料科學家和物理學家組成的團隊，這些晶體管制造器件需要大量的工作和耐心。

審核編輯：黃飛