Миниатюризацията на транзисторите е движеща сила на компютърния прогрес в продължение на десетилетия, но този подход в момента се сблъсква с физически и икономически ограничения. В съвременните напреднали чипове, като процесорите Apple A17 Pro и M4, произведени по 3-нанометровия технологичен процес на TSMC, дължината на гейта на транзистора е по-малка от 15 нанометра.

В тези мащаби електроните започват да тунелират през бариерите, които би трябвало да ги задържат, причинявайки изтичане на ток, дори когато транзисторите са изключени. Резултатът е загуба на енергия, генериране на излишна топлина и намаляване на ефективността, която преди се е увеличавала с всяко ново поколение по-малки транзистори. Междувременно изграждането на фабрика за производство на 3-нанометрови чипове сега струва над 20 милиарда долара. Всички тези предизвикателства съживиха интереса към коренно различна идея: използване на отделни молекули като функционални електронни компоненти.

Електроните естествено текат по-лесно в едната посока, отколкото в другата, и това свойство позволява на една молекула да действа като малък диод. Въпреки че тази идея породи цяла област на изследване, експериментите дълго време бяха възпрепятствани от трудността при манипулиране и измерване на обекти с размер само няколко нанометра. Едва след десетилетия на технически иновации стана възможно надеждното тестване.

Неотдавнашно ревю в списание Microsystems & Nanoengineering обобщава този прогрес. В него са описани методи за производство, функционални устройства и стратегии за интеграция, демонстрирайки, че молекулярната електроника се е развила от теория до сериозен кандидат за технология. Потенциалната плътност може да достигне 10 устройства на квадратен сантиметър — приблизително хиляда пъти по-голяма от тази на днешните силициеви чипове, пише Nanowerk.

Молекулярната електроника работи на съвсем различни принципи от конвенционалните чипове. Вместо да се движи през хомогенни материали, зарядът преминава през молекулярните контакти посредством квантово тунелиране. Проводимостта намалява експоненциално с увеличаване на дължината на молекулата, което означава, че по-дългите молекули провеждат по-малко ток.

Квантовата интерференция осигурява допълнително ниво на контрол. В молекулите на базата на бензен, електроните могат да се движат по множество пътища, които или се усилват, или се неутрализират взаимно. Когато съединенията са разположени в противоположните краища на пръстена (пара-конфигурация), интерференцията е конструктивна и осигурява висока проводимост. В други конфигурации (мета-конфигурация), интерференцията е деструктивна, намалявайки проводимостта с порядъци. Тези ефекти позволяват поведение, невъзможно в конвенционалните полупроводници.

Създаването на надеждни молекулярни контакти в нанометров мащаб изисква електроди, разположени на разстояние по-малко от три нанометра един от друг. Статичните контакти използват фиксирани междини, създадени чрез методи като електромиграция или свързване на самоорганизиращи се молекулярни слоеве с течни метали. Въглеродните електроди могат да подобрят качеството на връзката.

Динамичните контакти многократно формират и прекъсват връзки, за да събират данни. Методите включват механично контролирани прекъсващи контакти, прекъсващи контакти от сканиращ тунелен микроскоп и системи на микроелектромеханични устройства, които автоматизират измерванията. Хиляди цикли създават хистограми, показващи характерната проводимост на отделните молекули.

Учените проучват начини за създаване на 3D молекулярна електроника, която един ден би могла да превъзхожда силициевите чипове. Вертикалните канали, наречени силициеви преходи, биха могли да свързват подредените слоеве молекули, докато метали като мед или рутений биха могли да се използват за хоризонтално окабеляване.

Въпреки това, топлината остава сериозен проблем: органичните молекули се разграждат при температури над 200 градуса по Целзий, докато стандартните процеси за производство на чипове изискват температури над 400 градуса по Целзий. Изследователите предлагат добавянето на молекули само по време на последните етапи на производството. Прецизното поставяне е възможно с помощта на ДНК оригами —- техника, при която ДНК се сгъва в наномащабни форми, които насочват молекулите към желаните позиции. Първоначалните приложения са обещаващи: молекулярните мемристори биха могли да позволят изчисления, подобни на тези в мозъка, а молекулярните сензори биха могли да проследяват отделни химични реакции, разкривайки детайли, невидими за конвенционалните методи.