8.1.1. Динамические неоднородности

Передача информации в молекулярной электронике осуществляется ансамблями 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, которое меняет положение молекулярных, так называемых -орбиталей между атомами углерода. В центре солитона существует движущаяся межфазная или междолинная граница между эквивалентными фазами A и В (рис. 8.3, а). Прохождение солитона через сопряженную систему приводит к переходу между фазами А и В и к обме­ну одинарных и двойных связей.

Солитоны могут быть интерпретированы как топологические узлы валентной π-электронной системы.

Вследствие врожденности основного состояния электропроводящих полимеров солитоны могут свободно перемещаться вдоль цепи сопряжений подобно волне плотности π-электронов (рис. 8.3). Скорость перемещения солитонов близка к скорости звука.

Рисунок 8.3 – 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 солитонов.

Различают два режима отражения солитонов. Две трансполиацетиленовые цепочки сопрягаются с трициклическим пентоином. Солитон проходит, отражаясь от пентоина словно от стенки (рис. 8.4, а). Другой вариант предусматривает использование гидрированного каротена в качестве реверсивной среды (рис. 8.4, б). В этом случае солитон обходит молекулу по часовой стрелке. Движение валентных π-электронов происходит по про нумерованному порядку. Движение электрона со стрелкой под номером 10 может про­изойти только после того, как завершится движение со стрелкой 1. Солитон проходит по одной цепочке дважды.

Рисунок 8.4 – Процесс реверсирования солитонов

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 за счет того, что уровень для лишнего электро­на в каждой последующей молекуле на 0,1 4- 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 строиться так, чтобы энергии уровней для лишнего электрона снижались на 0,1—0,2 эВ.

В ленгмюровских пленках с помощью света можно возбудить экситоны, представляющие собой мигрирующее электронное возбуждение, не связанное с переносом электрического заряда и массы.

В качестве динамической неоднородности можно использовать один электрон. 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 определяться величиной

Е_пр=Е_ср+eV,

где е — заряд электрона. Барьер одновременно будет препятствовать движению электрона в обратном направлении. Однако использование только одного электрона накладывают значительные ограничения на "одноэлектронику".