De theorie: als je een molecuul zodanig opbouwt dat elektronen er langs twee routes doorheen kunnen, bestaat de kans op lagere geleiding. Een elektron gedraagt zich volgens de quantummechanica als een golfje. Zo’n golfje kan zich opsplitsen in verschillende golfjes die elk via hun eigen route door het molecuul lopen. Aan het eind van het molecuul ontmoeten ze elkaar weer.

In het rechtermolecuul splitst de elektrongolf over meerdere paden. De twee blauwe golfjes heffen elkaar op. De geleiding is zodoende veel minder dan in het linkermolecuul, waar de elektrongolf in één keer doorheen gaat.

Als de golfjes dan precies in tegenfase lopen – de ene golf gaat net omhoog als de ander net omlaag gaat – heffen ze elkaar op. Dit effect heet destructieve interferentie. Als dat gebeurt, kunnen veel minder elektronen door het molecuul lopen. Omdat elektronen de elektrische stroom verzorgen, wordt die daarmee ook heel klein.

Rechtdoor of met een omweg

Om de theorie aan de praktijk te toetsen, maakten de onderzoekers vijf moleculaire ‘stroomdraadjes’. Drie hadden een zogenoemde lineair geconjugeerde structuur, waar de elektronen slechts via één route doorheen konden. De andere twee verbindingen waren kruisgeconjugeerd. Deze hadden twee zijarmen, met een dubbele koolstof-zuurstof-binding, symmetrisch rond het midden. Hierdoor ontstonden drie mogelijke routes die een elektron door het molecuul kon nemen. Recht door het midden of met een omweg via een van de zijarmen.

Nu ook bij kamertemperatuur

Uit de experimenten bleek een duidelijk verschil tussen de twee soorten moleculen. De twee kruisgeconjugeerde moleculen, de moleculen met meerdere routes dus, lieten veel minder stroom door dan de moleculen met één route. Het scheelde ongeveer een factor honderd.

De vijf ‘stroomdraadjes’. De drie verbindingen rechts (lineair geconjugeerd) hebben één route voor het elektron. Door de twee verbindingen links (kruisgeconjugeerd) heeft het elektron meerdere routes.

Universiteit Leiden

Universiteit Leiden

Dr.ir. Sense Jan van der Molen, verbonden aan het Leids Instituut voor Natuurkunde (LION) en leider van het onderzoeksteam: “Uit eerdere metingen bij heel lage temperaturen was al bekend dat destructieve interferentie voor lagere geleiding zorgt. Het bijzondere hier is dat we het effect bij kamertemperatuur kunnen waarnemen. Dit komt doordat de moleculen zo klein zijn: twee nanometer ofwel twee miljoenste millimeter. Ze gedragen zich zelfs bij hogere temperaturen quantummechanisch.”

Stabieler maken

Het team gaat kijken of het mogelijk is om een moleculaire ‘schakelaar’ te maken, waarin je de interferentie aan- en uitzet. Dat zou bijvoorbeeld ultrakleine computerbits mogelijk maken, toepasbaar in toekomstige quantumcomputers. Nu zijn de molecuulverbindingen daar nog te instabiel voor.

Zie ook:

• Chemisch idee krijgt natuurkundige onderbouwing (Nieuwsbericht RUG)
• Kwanutmmechanisch schakelen bij kamertemperatuur (Persbericht NWO)