Nella spinta a diventare piccoli, Robert Wolkow e il suo laboratorio all'Università dell'Alberta stanno facendo passi da gigante.

L'era digitale ha portato a una successione di piccoli, tecnologie più pulite e meno affamate di energia dai tempi in cui il personal computer stava sulla scrivania, sostituendo i modelli di mainframe che un tempo riempivano intere stanze. Da allora i PC desktop hanno lasciato il posto a laptop sempre più piccoli, smartphone e dispositivi che la maggior parte di noi porta in tasca.

Ma come sottolinea Wolkow, questo restringimento tecnologico può arrivare solo fino a un certo punto quando si utilizzano circuiti integrati tradizionali basati su transistor. Ecco perché lui e il suo team di ricerca mirano a costruire tecnologie completamente nuove su scala atomica.

"Il nostro obiettivo finale è realizzare elettronica a bassissima potenza perché è ciò che è più richiesto dal mondo in questo momento, " disse Wolkow, la cattedra iCORE in tecnologia dell'informazione e della comunicazione su nanoscala presso la Facoltà di Scienze. "Ci stiamo avvicinando ad alcuni limiti fondamentali che fermeranno la corsa lunga 30 anni per rendere le cose più veloci, più economico, migliore e più piccolo; questo finirà presto.

"Sarà necessario un metodo di calcolo completamente nuovo".

Elettronica su scala atomica

Wolkow e il suo team del dipartimento di fisica della University of A e del National Institute for Nanotechnology stanno lavorando per progettare tecnologie atomicamente precise che abbiano effetti pratici, applicazioni del mondo reale. Il suo laboratorio è già entrato nel Guinness dei primati per aver inventato l'oggetto più affilato del mondo:una punta di microscopio larga solo un atomo alla sua estremità.

Hanno fatto un passo avanti nel 2009 quando hanno creato i punti quantici più piccoli di sempre, un singolo atomo di silicio che misura meno di un nanometro di larghezza, utilizzando una tecnica che riceverà un brevetto negli Stati Uniti alla fine del mese.

punti quantici, Wolkow dice, sono vasi che confinano gli elettroni, proprio come le tasche su un tavolo da biliardo. I punti possono essere distanziati in modo che gli elettroni possano trovarsi in due tasche contemporaneamente, consentendo loro di interagire e condividere gli elettroni, un livello di controllo che li rende ideali per circuiti simili a computer.

"Potrebbe essere importante quanto il transistor, " dice Wolkow. "Pone le basi per una base completamente nuova dell'elettronica, e in particolare, elettronica a bassissima potenza."

Nuove scoperte aprono la strada a una nanoelettronica superiore

Wolkow e il suo team hanno costruito sui loro precedenti successi, modificando i microscopi a effetto tunnel con la punta del microscopio a livello dell'atomo, che emette ioni al posto della luce a una risoluzione superiore. Come la puntina di un giradischi, i microscopi possono tracciare la topografia degli atomi di silicio, rilevamento delle caratteristiche della superficie su scala atomica.

In un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , il borsista post-dottorato Bruno Martins insieme a Wolkow e ad altri membri del team, osservato per la prima volta come una corrente elettrica scorre attraverso la pelle di un cristallo di silicio e ha anche misurato la resistenza elettrica mentre la corrente si spostava su un singolo passo atomico.

Wolkow afferma che i cristalli di silicio sono per lo più lisci ad eccezione di queste scale atomiche:lievi imperfezioni con ogni passo alto un atomo. Sapere cosa causa la resistenza elettrica ed essere in grado di registrare l'entità della resistenza apre la strada alla progettazione di dispositivi nanoelettronici superiori, lui dice.

In un altro primo, questa volta guidata dal dottorando Marco Taucer, il team di ricerca ha osservato come i singoli elettroni saltano dentro e fuori dai punti quantici, e ha ideato un metodo per monitorare quanti elettroni si inseriscono nella tasca e misurare la carica del punto. Nel passato, tali osservazioni erano impossibili perché l'atto stesso di cercare di misurare qualcosa di così straordinariamente piccolo lo cambia, dice Wolkow.

"Immagina che se guardassi qualcosa con i tuoi occhi, l'atto di guardarlo lo ha piegato in qualche modo, " dice. "Ora possiamo evitare quella perturbazione dovuta allo sguardo, e così può accedere e distribuire utilmente i punti nei circuiti."

I risultati della squadra, pubblicato anche su Lettere di revisione fisica , dare agli scienziati la possibilità di monitorare la carica dei punti quantici. Hanno anche trovato un modo per creare punti quantici che funzionano a temperatura ambiente, il che significa che la criogenia costosa non è necessaria.

"È emozionante perché, All'improvviso, cose che erano considerate esotiche, le idee lontane sono vicine. Pensiamo di poterli costruire".

Portare la prossima generazione di elettronica sul mercato

Wolkow e il suo team credono così fortemente nel potenziale commerciale dei circuiti su scala atomica, due anni fa hanno lanciato la propria società spin-off, Quantum Silicon Inc. Nei prossimi cinque-sei anni, QSI intende dimostrare il potenziale di questi circuiti "estremamente verdi" che possono utilizzare circuiti più piccoli, batterie più durature.

Li sposta anche dal regno della ricerca di base a quello della ricerca applicata e degli scenari del mondo reale, dice Wolkow.

"Abbiamo questa bella connessione in cui abbiamo un campo di allenamento per studenti e ambizioni altamente accademiche per il progresso, ma queste cose si trasferiscono in modo abbastanza naturale e immediato a questa entità pratica."

Gran parte dei loro sforzi inizialmente si concentreranno sulla creazione di tecnologie ibride, aggiungendo circuiti su scala atomica all'elettronica convenzionale come dispositivi GPS o satelliti, come sostituire un anello di una catena data l'intensità di tempo necessaria per realizzare i nuovi circuiti. Potrebbe volerci un decennio prima che sia possibile produrre in serie circuiti su scala atomica, ma il potenziale futuro è molto forte, dice Wolkow.

"Ha il potenziale per cambiare totalmente la base elettronica del mondo. È una prospettiva da trilioni di dollari".