El efecto túnel cuántico dirige el transporte de electrones en porfirinas

El transporte de electrones a través de moléculas formadas por porfirinas se realiza por el efecto túnel descrito por las leyes de la mecánica cuántica, según ha demostrado un estudio internacional en el que ha participado un centro del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). El artículo, publicado en Nature Nanotechnology, descarta la creencia de que este transporte se efectúa a través de saltos de una región a otra de la molécula, conocido como hopping.

Las porfirinas son moléculas orgánicas que aparecen, en la región central de macromoléculas como la clorofila y la hemoglobina, y que poseen un átomo metálico en su centro que determina su función específica. La importancia de estas moléculas en el campo de la electrónica molecular radica en su “facilidad para transferir electrones de una región a otra”, explica el responsable del trabajo en el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (centro mixto del CSIC, la Universidad de Oviedo y el Gobierno del Principado de Asturias) Víctor Manuel García.

Para resolver el mecanismo de transporte electrónico que dirigen las porfirinas, el equipo ha evaluado la variación de su conductividad eléctrica en función de la distancia y la temperatura, en cadenas de una, dos y tres unidades de porfirina, ancladas en sus extremos a superficies de oro que actúan como electrodos.

Según las leyes que rigen el transporte por hopping, la conductividad de las porfirinas aumenta con la temperatura pero se reduce suavemente con la distancia. Bajo este mecanismo, los electrones pasan de un electrodo a otro mediante saltos de una región a otra de las moléculas formadas por porfirinas, siendo su comportamiento más parecido al de una partícula que al de una onda. La temperatura aumenta su capacidad de salto y, por tanto, aumenta la conductancia, mientras que la longitud la reduce.

Por el contrario, el efecto túnel se basa en que los electrones tienen cierta probabilidad de desaparecer de un electrodo y reaparecer en el otro. Esta probabilidad depende del tipo de molécula que haya entre los electrodos.

En este mecanismo, la temperatura también puede aumentar la conductancia, “ya que incrementa la cantidad de electrones disponibles para ser transportados”, explica García. Sin embargo, el efecto de la longitud reduce la conductancia de forma exponencial. Un ligero aumento de la distancia disminuye de forma drástica la probabilidad de los electrones de aparecer al otro lado.

La suave caída de la conductividad de las porfirinas en función de la distancia y la dependencia con la temperatura “hacía creer que el transporte se efectuaba por hopping. Sin embargo, los experimentos y cálculos teóricos llevados a cabo por el equipo han demostrado que el transporte de electrones es en realidad por efecto túnel”, asevera el investigador.

Componentes de ordenador

“La progresiva miniaturización de los circuitos integrados hace que los elementos electrónicos se aproximen cada vez más al límite atómico”, cuenta García. Por ello, la investigación persigue encontrar moléculas que puedan realizar las funciones de los componentes electrónicos, al ser su producción fácil y económica.

El mecanismo de transporte electrónico descubierto en este estudio puede promover el uso de porfirinas en dispositivos para ordenadores cuánticos. Estas computadoras se basan en la mecánica cuántica, por lo que el transporte eléctrico por efecto túnel puede ser adecuado para ellas. Al desaparecer y reaparecer en un electrodo u otro, “los electrones conservan su naturaleza ondulatoria y, por tanto, también sus propiedades cuánticas”, concluye García.

El estudio ha contado con la participación de investigadores las universidades de Liverpool, Lancaster, Oxford y Cardiff, en Reino Unido, y de las universidades de Zaragoza y Oviedo, a la que pertenece el investigador.