随着技术的不断进步，晶体管的尺寸被推向前所未有的微小界限，旨在打包更强大的计算力于更紧凑的空间内。然而，这一创新旅程遭遇了意料之中的挑战：量子力学。在如此微小的尺度上，电子的行为开始变得不可预测，它们可能会意外地“跳跃”并从设备中泄露出去，导致性能下降和能源浪费。

  但最新的研究揭示了一条不同的道路：这一挑战未必是不可克服的。通过巧妙的设计，电子的这些量子行为完全有可能被转化为强大的优势。

  研究人员在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）论文中介绍了他们的工作

  这项开创性的工作是由来自英国、加拿大和意大利的研究人员联手完成的，他们成功开发了一种单分子晶体管，这种器件能够利用量子效应来实现显著的性能提升。

  在低温环境下操作时，这种单分子设备展示了令人印象深刻的特性：仅需微小的栅极电压变化，电流便能经历剧烈的波动，这种变化趋近于阈下摆动的物理极限。达到或超越此极限意味着晶体管可以在更低的电压下进行高效的开关操作，进而提升效率并显著减少热量的产生。研究团队通过探索“量子干涉”（quantum interference）如何在单个分子中调整电流流动，成功地实现了这一创新目标。

  这一创新设计巧妙地规避了传统晶体管在微型化过程中所面临的难题。伦敦玛丽女王大学的量子技术专家詹姆斯·托马斯（James Thomas）深入解释了这一点：“随着晶体管尺寸的不断减小，电子隧穿从源极至漏极成为了一个几乎不可避免的现象，这是追求更加微型化晶体管过程中的一个挑战。”

  为了引导电子沿着一条全新的路径，托马斯及其团队巧妙地设计了一款单分子晶体管，以此来控制电子流。这种晶体管由一个“卟啉锌”（zinc porphyrin）分子构成，它在石墨烯源极和漏极之间形成连接。

  由单个分子（卟啉锌）连接的两片石墨烯可作为测试晶体管，利用量子干涉获得更好的性能

  选择卟啉（porphyrin）作为关键元素，是因为其与生命中重要的分子——血红蛋白和叶绿素，结构上的相似性，以及它优异的电子特性。团队将其称为“化学版乐高积木”，因为它能轻松地附加上不同的官能团，进而促进分子的溶解或与石墨烯的化学结合。通过在栅极施加电压，电子得以从一个石墨烯电极跨越卟啉分子流向另一端。

  得益于卟啉分子的精细设计以及石墨烯电极边缘的电子行为，电子在这款单分子晶体管中的运动超越了传统的粒子模型。它们表现出的波动性质（wave nature）占据了主导地位。晶体管在开启状态时，电子波会发生建设性干涉，相互增强；而在关闭时，则在卟啉通道内发生相互干扰。这种破坏性干涉减少了漏电流的发生。

  此外，研究团队还发现，利用量子干涉效应可以优化晶体管的阈下摆幅——一个衡量晶体管对栅极电压变化灵敏度的指标。较小的阈下摆幅意味着更高的晶体管效率。该团队开发的晶体管阈下摆幅达到了140 mV/dec，优于目前其他单分子晶体管，并可与碳纳米管等材料制成的更大型器件相媲美。

  两个石墨烯电极通过一个卟啉锌通道连接起来，形成一个单分子晶体管。在此图中，卟啉的结构已被简化

  尽管这项研究还处于早期阶段，研究人员对于其单分子晶体管在制造下一代电子设备中的应用前景持乐观态度。这些设备可能广泛应用于从计算机和智能手机到医疗设备等多个领域。

  单分子电子学的一大挑战——设备寿命，似乎找到了可能的解决方案。量子干涉晶体管展现出了惊人的耐用性，能够进行数十万次的开关操作而不损坏。

  托马斯详细解释了这种晶体管的一个显著优点：与碳纳米管晶体管相媲美的性能，但其通道长度却大大缩短。这得益于使用的分子仅有2.1纳米长，相比之下，碳纳米管设备的通道长度通常在7到10纳米之间。

  伦敦玛丽女王大学的物理学家扬·莫尔（Jan Mol）指出：“从原理上讲，我们已经证明了科学家能够利用破坏性量子干涉来完成一些实际的工作。”然而，他和托马斯并不期待他们的量子干涉晶体管能够迅速投入商业应用。

  托马斯认为，独立的单个晶体管并不是最终目标。接下来的重点是将多个这样的设备在芯片上相连，构建出简单的逻辑门乃至基础计算机，正如碳纳米管晶体管所展现的那样。

  他指出了研究中的一个关键挑战：尚不清楚如何可靠地制造出石墨烯电极，而这对于设备的性能至关重要。莫尔强调了石墨烯电极结构的重要性，“研究人员需要格外小心处理石墨烯的边缘。”

  托马斯表示，这种说法是本末倒置。研究人员不知道如何可靠地制造石墨烯电极，而石墨烯的原子级结构决定了器件的性能。“石墨烯电极的结构非常重要，”莫尔认为，“科学家必须非常小心石墨烯的边缘。”

  莫尔表示，这种晶体管的概念源自于对科学的好奇。“我们的团队对研究电流如何在分子内流动充满兴趣。有机化学家能够精确地定制分子，原子级别的定制使得科学家们有可能设计出理想中的晶体管通道。”

  目前，莫尔和同事们正致力于掌握分子设计的规则，旨在实现这一目标。他提到，量子干涉晶体管的开发耗时近十年，需要化学家、材料科学家和物理学家的跨学科合作，并强调了持续努力和耐心的重要性：“利用这些晶体管制造出设备还需要更多工作和耐心。”

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