مسافرت الکترون‌ها به‌وسیله‌ی نانوشاتل

فیزیک‌دانانی از انگلستان، شاتل مکانیکی بسیار کوچکی را ساخته‌اند که در یک زمان تنها قادر به جابجایی چهار الکترون است. این ابزار می‌تواند به توسعه‌ی نسل جدیدی از ابزارهای نانوالکترومکانیکی (NEMS) همچون ابزارهای منطقی و حافظه‌ها منجر گردد.

فیزیک‌دانانی از انگلستان، شاتل مکانیکی بسیار کوچکی را ساخته‌اند که در یک
زمان تنها قادر به جابجایی چهار الکترون است. این ابزار می‌تواند به توسعه‌ی
نسل جدیدی از ابزارهای نانوالکترومکانیکی (NEMS) همچون ابزارهای منطقی و
حافظه‌ها منجر گردد.

ایده‌ی سوارکردن الکترون‌ها و انتقال آنها را در یک مدار به ‌جای مجبورکردن
آنها به شارش در درون سیم‌ها، برای نخستین‌بار در یک دهه قبل پیشنهاد شد. هدف
از این کار، ابداع راهی جدید برای انتقال بار در ابزارهای الکترونیکی بود. چنین
نانوشاتل‌هایی می‌توانند در یک زمان تنها چند الکترون (به‌عنوان مثال یک
الکترون) را جابه‌جا کنند؛ به این ترتیب، می‌توان ابزارهای الکترونیکی‌ای با
جریان بسیار پایین ساخت که انرژی بسیار کمی مصرف کرده و در بسامدهای بالا کار
کنند.

تلاش‌های اولیه برای ساخت نانوشاتل‌ها به ساخت ستون‌های نیمه‌رسانایی انجامید
که با اعمال یک جریان متناوب به ارتعاش واداشته می‌شدند. با این حال، این
ابزارها نسبتاً بزرگ بوده (با ابعادی در حدود چندصد نانومتر) و در بسامدهای
ثابتی کار می‌کردند. در روش دیگری، محققان یک تک‌مولکول کربن۶۰ (یا باکی‌بال)
را در بین دو الکترود محصور کردند. اگرچه به‌ نظر می‌رسید که این سیستم باید
همانند یک نانوشاتل رفتار کند، به‌دلیل کوچکی باکی‌بال مذکور (قطر ۱ نانومتر)
تصویربرداری میکروسکوپی از آن ممکن نبود؛ لذا رفتار شاتل‌گونه‌ی این ابزار
عملاً مشاهده نشد.

هم‌اکنون سرگئی گوردیف و همکارانش از دانشگاه بث موفق شده‌اند تا نخستین
اتصالات شاتل را تولید کنند. در این اتصالات، یک نانوذره‌ی فلزی با قطر ۲۰
نانومتر، در نقش شاتل عمل می‌کند. این محققان پس از اندازه‌گیری خصوصیات جریان‌
ولتاژِ ابزارهای ساخته‌شده، دریافتند که این ابزارها مطابق با نظریه‌ی بار-شاتل
(که در سال ۱۹۹۸ ارائه شد) رفتار می‌کنند. اتصالات شاتلِ ساخته‌شده‌ی این گروه
(که محققانی از دانشگاه لاوف‌بوروف در آن حضور داشتند) شامل یک نانوذره‌ی طلاست
که در حدفاصل بین دو الکترود طلایی قرار گرفته‌ است. این نانوذره به‌وسیله‌ی
لایه‌ی واحدی از مولکول‌های آلی انعطاف‌پذیر که همانند فنرهای بسیار کوچک رفتار
می‌کنند به الکترودها متصل می‌شود. با اعمال یک ولتاژ به الکترودها، نانوذره
شروع به نوسان کرده و الکترون‌ها را از الکترود منفی به الکترود مثبت منتقل
می‌کند.

به‌دلیل کوچکی این شاتل، تعداد الکترون‌های منتقل‌شده در هر چرخه، بسیار کم
(تنها ۴ الکترون) است، البته می‌توان این تعداد را با تغییر در ولتاژِ
اعمال‌شده بین الکترودها، تغییر داد. این ابزار جریانی تولید می‌کند که متناسب
با بسامد نوسانِ ابزار است، اما جریان عبوری از اتصال شاتل را نیز می‌توان از
طریق تغییر در جرم نانوذره و الاستیسیته‌ی مولکول‌های متصل‌کننده، تغییر داد،
همچنین این جریان با اعمال یک بایاسِ ولتاژ در یک الکترود سوم (یا گیت) نیز
قابل کنترل است (مشابه با ترانزیستور میدان ‌اثر).

گوردیف درباره‌ی کاربردهای این ابزار گفت: «تمام این مزایا، نویدبخش دستیابی به
دسته‌ای از نانوابزارهای جدید هستند که قادرند در دمای اتاق و در محدوده‌ی
بسیار وسیعی از بسامدها کار کنند.» چنین ابزارهایی باید به تک‌الکترون‌ها اجازه
دهند تا با نرخ‌های (بسامدهای) بسیار بالای ۱۰۹ تا ۱۰۱۱ هرتز منتقل شوند.

هم‌اکنون، این گروه مشغول ساخت ترانزیستورهای شاتلی سه‌الکترودی است. الکترود
سوم، امکان تغییر انرژی پتانسیل شاتل را فراهم می‌آورد که به این شکل، می‌توان
تعداد الکترون‌هایی را که شاتل در یک چرخه منتقل می‌کند، کنترل کرد. گوردیف
افزود: «یکی از اهداف اصلی در آزمایش‌های ما شناسایی حالت تک‌الکترونه است که
در آن، الکترون‌ها یکی‌ پس ‌از دیگری منتقل می‌گردند.»