„Molekularer Supraleiter“ ersetzt Drähte in Chips und Computern

Elektronik

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 12.05.2025

Die Forscher zeigen ein chemisches Modell des Moleküls, von dem eine große Menge bereits synthetisiert ist, in einem Fläschchen (links) und den Leitfähigkeitstestchip (rechts). [Bild: Joshua Prezant/University of Miami]

Molekularer elektrischer Draht

Angesichts der Engpässe bei der Miniaturisierung elektronischer Komponenten war die Molekularelektronik schon immer eine Option, doch die Fortschritte verliefen langsam und die Übertragung aus den Laboren in die Fabriken war schwierig.

Dies könnte sich nun dank eines erstaunlichen Ergebnisses von Shaocheng Shen und Kollegen an der University of Miami in den USA ändern.

Obwohl es bereits mehrere Demonstrationen molekularer Transistoren gibt und sogar ein kompletter Chip für molekulare Elektronik existiert, muss noch immer eine Möglichkeit gefunden werden, Elektrizität ohne die Verwendung von Metallen wie Kupfer zu leiten, aus denen die Verdrahtung heutiger Computerchips besteht.

Und Shen hat jetzt das elektrisch leitfähigste organische Molekül der Welt synthetisiert.

„Bisher gibt es kein molekulares Material, das Elektronen ohne nennenswerten Verlust der Leitfähigkeit durchlässt“, sagte Professor Kun Wang, der das Team leitete. „Diese Arbeit ist der erste Beweis dafür, dass organische Moleküle eine Elektronenmigration ohne Energieverlust über mehrere zehn Nanometer ermöglichen können.“

Das leitfähige Molekül eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten für die Konstruktion kleinerer und leistungsfähigerer Rechengeräte auf molekularer Ebene, sondern besteht auch aus chemischen Elementen, die in der Natur leicht vorkommen – hauptsächlich Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff.

Leitfähigkeitstests zeigten, dass das Molekül bei Raumtemperatur und robust wie ein hocheffizienter elektrischer Draht funktioniert – ein „molekularer Supraleiter“. [Bild: Joshua Prezant/University of Miami]

"Supraleitendes" Molekül

Dem neuen Molekül, dessen vollständiger Name aus mehr als 120 Buchstaben besteht, gelang es, eine Regel zu widerlegen, die in der Chemie bislang als universell galt: Die Fähigkeit eines Moleküls, Elektronen zu leiten, nimmt mit zunehmender Molekülgröße exponentiell ab.

Die neuen „molekularen Drähte“ bieten die höchstmögliche elektrische Leitfähigkeit bei beispiellosen Längen und sind gleichzeitig unter Umweltbedingungen stabil. Dies könnte den Weg dafür ebnen, dass Computergeräte kleiner, energieeffizienter und kostengünstiger werden.

„Das Einzigartige an unserem Molekülsystem ist, dass Elektronen wie eine Kugel ohne Energieverlust durch das Molekül reisen, was theoretisch die effizienteste Form des Elektronentransports in jedem Materialsystem ist“, bemerkte Wang. „Es ermöglicht nicht nur die Reduzierung der Größe zukünftiger elektronischer Geräte, sondern seine Struktur ermöglicht auch Funktionen, die mit siliziumbasierten Materialien nicht einmal möglich waren.“

Da die im Molekül beobachtete beispiellose elektrische Leitfähigkeit offenbar das Ergebnis einer Wechselwirkung der Elektronenspins an den beiden Enden des Moleküls ist, könnte es letztendlich als Qubit verwendet werden, die grundlegende Einheit zur Datenspeicherung und -verarbeitung in der Quanteninformatik .

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