Prima è arrivato l'interruttore. Poi il transistor. Ora un'altra innovazione sta per rivoluzionare il modo in cui controlliamo il flusso di elettroni attraverso un circuito:il biossido di vanadio (VO2). Una caratteristica fondamentale di questo composto è che si comporta da isolante a temperatura ambiente ma da conduttore a temperature superiori a 68°C. Questo comportamento, noto anche come transizione metallo-isolante, è oggetto di studio in un ambizioso progetto UE Horizon 2020 chiamato Phase-Change Switch. L'EPFL è stato scelto per coordinare il progetto a seguito di un impegnativo processo di selezione.

Il progetto durerà fino al 2020. A causa della serie di applicazioni ad alto potenziale che potrebbero derivare da questa nuova tecnologia, il progetto ha attirato due importanti aziende - Thales of France e la filiale svizzera di IBM Research - così come altre università, tra cui Max-Planck-Gesellschaft in Germania e Cambridge University nel Regno Unito. Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik (AMO GmbH), uno spin-off dell'Università di Aquisgrana in Germania, partecipa anche alla ricerca.

Gli scienziati conoscono da tempo le proprietà elettroniche del VO2 ma non sono stati in grado di spiegarle fino a quando non lo sapranno. Si scopre che la sua struttura atomica cambia all'aumentare della temperatura, passaggio da una struttura cristallina a temperatura ambiente ad una metallica a temperature superiori a 68°C. E questa transizione avviene in meno di un nanosecondo, un vero vantaggio per le applicazioni elettroniche. "Il VO2 è sensibile anche ad altri fattori che potrebbero fargli cambiare fase, ad esempio iniettando energia elettrica, otticamente, o applicando un impulso di radiazione THz, "dice Adrian Ionescu, il professore dell'EPFL che dirige il Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) della scuola e funge anche da coordinatore del progetto Phase-Change Switch.

La sfida:raggiungere temperature più alte

Però, sbloccare il pieno potenziale del VO2 è sempre stato difficile perché la sua temperatura di transizione di 68 ° C è troppo bassa per i moderni dispositivi elettronici, dove i circuiti devono poter funzionare senza problemi a 100°C. Ma due ricercatori dell'EPFL - Ionescu della School of Engineering (STI) e Andreas Schüler della School of Architecture, Ingegneria Civile e Ambientale (ENAC) - potrebbe aver trovato una soluzione a questo problema, secondo la loro ricerca congiunta pubblicata in Lettere di fisica applicata nel luglio 2017. Hanno scoperto che l'aggiunta di germanio al film VO2 può aumentare la temperatura del cambiamento di fase del materiale a oltre 100°C.

Risultati ancora più interessanti del Nanolab, in particolare per le applicazioni a radiofrequenza, sono stati pubblicati in Accesso IEEE il 2 febbraio 2018. Per la prima volta in assoluto, gli scienziati sono stati in grado di rendere ultracompatto, filtri di frequenza modulabili. La loro tecnologia utilizza anche VO2 e interruttori a cambiamento di fase, ed è particolarmente efficace nella gamma di frequenze cruciale per i sistemi di comunicazione spaziale (banda Ka, con modulazione di frequenza programmabile tra 28,2 e 35 GHz).

Processori neuromorfici e veicoli autonomi

È probabile che queste scoperte promettenti stimoleranno ulteriori ricerche sulle applicazioni del VO2 nei dispositivi elettronici a bassissima potenza. Oltre alle comunicazioni spaziali, altri campi potrebbero includere il calcolo neuromorfo e i radar ad alta frequenza per le auto a guida autonoma.