研究示意圖。圖片來源：美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志

科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

美國科學(xué)家在最新一期《美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上發(fā)表論文稱，他們研制出目前已知導(dǎo)電性最強(qiáng)的有機(jī)分子。這一突破為在分子尺度上構(gòu)建更小巧、性能更強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備提供了全新途徑。尤其值得注意的是，該分子由自然界中常見的碳、硫和氮等元素構(gòu)成。

自20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)芯片上的晶體管數(shù)量每兩年翻一番，使得設(shè)備不斷朝著更輕便、更高性能的方向發(fā)展。然而，硅基電子元件已逐漸逼近物理極限，進(jìn)一步微型化面臨巨大挑戰(zhàn)。

為此，科學(xué)家將目光投向了分子材料，試圖尋找替代硅和金屬的導(dǎo)電方案。在最新研究中，來自美國邁阿密大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院和羅切斯特大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，報(bào)告了迄今導(dǎo)電性最強(qiáng)的有機(jī)分子。

研究團(tuán)隊(duì)利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)，精準(zhǔn)捕獲單個(gè)分子并測量了其電導(dǎo)率。結(jié)果顯示，在該分子系統(tǒng)中，電子能像子彈一樣高速穿越分子，且?guī)缀醪粨p失能量，理論上實(shí)現(xiàn)了電子傳輸最高效率。這種特性不僅能大幅縮小未來電子設(shè)備的“體型”，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)硅基材料無法企及的功能。

這是首次證實(shí)有機(jī)分子的電子能在數(shù)十納米范圍內(nèi)無損遷移。此外，該分子在日常環(huán)境下表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，有望為開發(fā)更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)的計(jì)算設(shè)備奠定基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步指出，這種分子的非凡特性或?qū)榱孔有畔⒖茖W(xué)帶來革命性突破。因?yàn)榉肿又杏^察到的超高電導(dǎo)率源于其兩端電子自旋的協(xié)同作用，未來可能被用作量子比特。

該分子兼具化學(xué)穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性，可直接與現(xiàn)有芯片的納米電子元件兼容。其原料成本低廉，實(shí)驗(yàn)室即可合成，且能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料難以企及的功能。這些優(yōu)勢(shì)無需額外成本，就能讓計(jì)算設(shè)備變得更強(qiáng)大、更節(jié)能。

總編輯圈點(diǎn)

在后摩爾定律時(shí)代，人們希望通過全新原理、全新架構(gòu)的新型元器件提升芯片的算力和集成度，讓芯片更小也更強(qiáng)。這既是美好的期許，也是現(xiàn)實(shí)的需求。畢竟，我們需要計(jì)算的東西越來越多，但硅電子元件已趨近物理極限。此次，科研團(tuán)隊(duì)報(bào)告了迄今導(dǎo)電性最強(qiáng)的有機(jī)分子，能在理論上實(shí)現(xiàn)電子傳輸?shù)淖罡咝省＿@有望將現(xiàn)有電子元器件體積大幅縮小，同時(shí)降低計(jì)算中心的能耗。不過，從發(fā)現(xiàn)新導(dǎo)電方案到生產(chǎn)實(shí)用產(chǎn)品，中間還有諸多鴻溝需要跨越。