Динамические неоднородности

 

Передача информации в молекулярной электронике осуществляется потоками электронов или солитонов.

В масштабах микромира под солитоном понимают структурное возмущение, способное перемещаться в одном или двух направлениях подобно частице.

Перенос солитона связан с возмущением. В центре солитона существует движущаяся "межфазная" или "междолинная" граница между эквивалентными фазами А и В (рис. 9.а). Прохождение солитона через сопряженную систему приводит к переходу между фазами А и В и к обмену одинарных и двойных связей. Другими словами, солитон может быть интерпретирован как топологические узлы валентной π-электронной системы.

Вследствии врожденности основного состояния электропроводящих полимеров солитоны могут свободно перемещаться вдоль цепи сопряжений подобно волне плотности π-электронов (рис. 9а). Скорость перемещения солитонов близка к скорости звука.

 

Рисунок 9 – Генерация и распространение солитона в полиацетиленовой цепи (а, б); интерпретация в виде волны возмущения (в)

 

Солитон обладает свойствами квазичастицы, имеет определенную энергию, форму, момент импульса.

На молекулярном уровне также наблюдается реверсирование (отражение) солитонов. Различают два режима отражения солитонов. Две трансполиацетиленовые цепочки сопрягаются с трицикли-ческим пентоином. Солитон проходит, отражаясь от пентоина словно от стенки (рис. 10).

 

Рисунок 10 – Реверсирование солитонов типа отражения от стенки.

 

Другой вариант предусматривает использование гидрированного коротена в качестве реверсивной среды (рис. 11). В этом случае солитон обходит молекулу по часовой стреле. Движение валентных π-электронов происходит по пронумерованному порядку. Движение электрона со стрелкой под номером 10 может произойти только после того, как завершится движение со стрелкой. Солитон проходит по одной цепочке дважды.

 

 

Рисунок 11 – Реверсирование солитонов после обхода молекулы.

 

Наряду с солитонами в молекулярной системотехнике используются процессы переноса электронов по цепочкам различных циклических молекул, даже разделенных зазором до 1 нм.

Электроны туннелируют по молекулам, переходя в соседние молекулы за время ~10^–10–10^–12 с. Основным эффектом при этом является быстрое резонансное и одновременно однонаправленное туннелирование. Туннелирование происходит за счет того, что уровень для лишнего электрона в каждой последующей молекуле на 0,1–0,2 эВ ниже, чем в предыдущей.

Эффект быстрого резонансного туннелирования проявлялся в континуальных молекулярных средах, у которых молекулы в цепочке подобраны так, что энергия электрона, поляризовавшего одну молекулу, равна энергии электронного уровня другой, не поляризованной молекулы. Другими словами, цепочка молекул должна строится так, чтобы энергии уровней для лишнего электрона снижались на 0,1–0,2 эВ. Принципиально новым является использование в качестве динамической неоднородности одного электрона. Это позволяет достичь энергетического предела, минимизировать энергию на одну информационную операцию.

Если между отдельными молекулами создать разность потенциалов V, а энергетический барьер по полю составляет Е_пр = Е_ср, то в обратном направлении этот барьер будет определятся величиной Е_обр= Е_пр+ eV, где е-заряд электрона. Этот барьер будет препятствовать движению электрона в обратном направлении. Однако использование только одного электрона накладывают значительные ограничения на "одноэлектронику".