Молекулярные и одноатомные одноэлектронные устройства — устройства, в которых электрическими зарядовыми центрами являются одиночные молекулы и атомы.  Функционирование таких устройств осуществляется посредством туннелирования одиночных электронов между зарядовыми центрами и электродами. Управляя с помощью потенциалов электродов распределением электронов по зарядовым центрам и процессом туннелирования, можно создавать как элементы вычислительных устройств, в которых информация кодируется и обрабатывается одиночными электронами, так и элементы квантовых устройств и квантовых сенсоров.

 

Рис.1 Модельный рисунок молекулярного одноатомного одноэлектронного транзистора, в котором атом рутения является одноатомным зарядовым центром.

 

Сверхмалый размер отдельных атомов и молекул, которые используются в качестве зарядовых центров в одноэлектронике, приводит к тому, что характерная кулоновская энергия таких объектов может достигать единиц электронвольт. Так же, особенностью работы одноатомных и молекулярных одноэлектронных устройств является наличие дискретного энергетического спектра электронов, который, с одной стороны, существенно усложняет теоретическое описание таких устройств, но, с другой стороны, добавляет возможность использовать квантовые состояния в этих устройствах. Использование сильных кулоновских эффектов, сильных кулоновских временных и пространственных корреляций,  а также сильной дискретности энергетического спектра электронов позволяет создавать молекулярные и одноатомные сенсорные и вычислительные устройства, работающие на новых физических принципах.

 

Численное моделирование режимов работы молекулярных и одноатомных одноэлектронных устройств начинается с определения их одночастичного электронного энергетического спектра. Для этих целей производится расчет методами квантовой химии электронных энергетических спектров и распределений  электронной плотности в молекулах или атомных кластерах в различных зарядовых и возбужденных состояниях. По результатам такого расчета определяются константы электростатического и обменного взаимодействия, а также, при наличии электродов, соответствующие коэффициенты электрической емкости, распределение заряда и интерфейсные заряды на границах диэлектрических сред. Используя эти данные, определяются вероятности переходов и  вероятности найти систему в том или ином квантовом состоянии. Делается это с помощью решения систем кинетических уравнений или методов имитационного моделирования. На последнем этапе можно определить вольт-амперные и сигнальные характеристики, которые могут быть измерены в эксперименте, а также различные сопутствующие характеристики, которые позволяют понять особенности электронного транспорта.

 

Рис.2 Расчетная токовая характеристика одноатомного одноэлектронного транзистора на цепочке из двух примесных атомов.

 

Описанная выше последовательность численного эксперимента позволяет моделировать поведение и рассчитывать транспортные характеристики достаточно сложных одноэлектронных устройств. Например, в настоящее время представляет существенный интерес исследование так называемых одноэлектронных резервуарных сетей на примесных атомах, которые по своей сути являются физической реализацией нейросетей. Отработка методов обучения и настройки в качестве сенсоров и вычислительных элементов требует большого объема численных экспериментов.

 

Сотрудники направления