풀러렌의 광여기된 전자는 높은 에너지를 생성하는 데 도움이 됩니다.

Nov 27, 2023

탄소 기반 분자인 풀러렌에서 빛에 의해 유도된 전자 방출을 사용하여 초고속 스위치를 만들 수 있습니다. 일본 도쿄 대학 연구팀이 개발한 새로운 장치는 현대 컴퓨터에 사용되는 현재 고체 트랜지스터보다 4~5배 빠른 스위칭 속도를 가지고 있습니다. 분자의 방출 지점에서 생성된 전자의 경로는 레이저 광 펄스를 사용하여 나노미터 이하 규모로 제어할 수 있습니다.

"이 연구 이전에는 전자 방출 위치의 광학적 제어가 10 nm 규모에서 가능했지만 방출 위치 선택성으로 이러한 전자 소스를 소형화하는 것은 어려웠습니다"라고 도쿄 대학 고체 물리학 연구소의 야나기사와 히로후미(Hirofumi Yanagisawa)는 설명합니다. .

연구진은 날카로운 금속 바늘 끝에 풀러렌 분자를 증착하고 끝 부분에 강하고 일정한 전기장을 가하여 단일 분자 스위치를 만들었습니다. 그들은 정점에 나타나는 단일 분자 돌출부를 관찰하고 이러한 범프에서 전기장이 더욱 강해져서 이러한 단일 분자에서 전자가 선택적으로 방출될 수 있음을 발견했습니다. 방출된 전자는 금속 팁에서 나오며 돌출부에 있는 분자만 통과합니다.

“단일 분자 전자 소스의 전자 방출 위치는 전자가 분자에 분포되는 방식, 즉 분자 궤도(MO)에 의해 결정됩니다.”라고 Yanagisawa는 설명합니다. “MO의 분포는 분자 수준에 따라 크게 변하며 금속 팁에서 공급된 전자가 빛에 의해 여기되면 해당 전자는 여기되지 않은 전자와 비교하여 다른 MO를 통과합니다. 그 결과 빛을 이용해 방출 위치를 변경할 수 있게 됐다”고 말했다.

이 전환 기능은 개념적으로 기차가 철로에서 방향을 바꾸는 것과 동일하다고 그는 말합니다. 즉, 방출된 전자는 기본 경로에 남아 있거나 방향이 바뀔 수 있습니다.

광여기된 전자가 여기되지 않은 전자와 비교하여 다른 MO를 통과할 수 있다는 사실은 우리가 이러한 궤도를 추가로 변경하여 여러 개의 초고속 스위치를 단일 분자로 통합할 수 있어야 함을 의미한다고 Yanagisawa는 덧붙입니다. 그런 구조는 초고속 컴퓨터를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

양자 물리학은 가능한 가장 빠른 광전자 스위치에 대한 속도 제한을 설정합니다.

또 다른 가능한 적용은 광전자 방출 현미경의 공간 분해능을 향상시키는 것입니다. 이 연구 이전에는 이 기술이 10 nm 미만이었지만 이제는 0.3 nm(단일 분자 MO를 분리할 수 있을 만큼 작음)를 달성할 수 있다고 Yanagisawa는 설명합니다. "따라서 우리는 단일 분자의 초고속 역학을 추적하기 위해 '레이저 유도 전계 방출 현미경'(LFEM)을 사용할 수 있습니다"라고 그는 Physics World에 말했습니다. "이러한 분자에는 펨토초 단위의 전자 과정을 포함하는 것으로 생각되는 광합성과 관련된 생체 분자가 포함될 수 있습니다."

향후 연구에서 도쿄 연구원들은 단일 분자의 원자 구조를 해결할 수 있도록 LFEM 기술의 공간 분해능을 더욱 향상시킬 수 있기를 희망합니다. 그들은 PRESTO 프로젝트의 일환으로 이 작업을 수행하고 있습니다.

연구자들은 Physical Review Letters에 자신의 연구 결과를 보고합니다.