La fine dell'era del silicio è iniziata. Man mano che i chip dei computer si avvicinano ai limiti fisici della miniaturizzazione e i processori affamati di energia aumentano i costi energetici, gli scienziati stanno cercando un nuovo raccolto di materiali esotici che potrebbe favorire una nuova generazione di dispositivi informatici che promettono di spingere le prestazioni a nuovi livelli, risparmiando sul consumo di energia.

A differenza dell'attuale elettronica a base di silicio, che disperdono la maggior parte dell'energia che consumano come calore di scarto, il futuro è tutto incentrato sul calcolo a bassa potenza. Conosciuto come spintronica, questa tecnologia si basa su una proprietà fisica quantistica degli elettroni - spin verso l'alto o verso il basso - per elaborare e memorizzare le informazioni, piuttosto che spostarli con l'elettricità come fa l'informatica convenzionale.

Alla ricerca di rendere i dispositivi spintronici una realtà, gli scienziati dell'Università dell'Arizona stanno studiando un raccolto esotico di materiali noti come dichalcogenuri di metalli di transizione, o TMD. I TMD hanno proprietà entusiasmanti che si prestano a nuovi modi di elaborare e archiviare le informazioni e potrebbero fornire la base per futuri transistor e fotovoltaico, e potenzialmente anche offrire una strada verso il calcolo quantistico.

Per esempio, le attuali celle solari a base di silicio convertono realisticamente solo il 25% circa della luce solare in elettricità, quindi l'efficienza è un problema, dice Calley Eads, uno studente di dottorato del quinto anno nel Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UA che studia alcune delle proprietà di questi nuovi materiali. "Potrebbe esserci un enorme miglioramento lì per raccogliere energia, e questi materiali potrebbero potenzialmente farlo, " lei dice.

C'è una cattura, tuttavia:la maggior parte dei TMD mostra la propria magia solo sotto forma di fogli molto grandi, ma solo da uno a tre atomi sottili. Tali strati atomici sono abbastanza difficili da produrre su scala di laboratorio, figuriamoci nella produzione industriale di massa.

Sono in corso molti sforzi per progettare materiali atomicamente sottili per la comunicazione quantistica, elettronica a bassa potenza e celle solari, secondo Oliver Monti, un professore del dipartimento e consigliere di Eads. Studiando un TMD costituito da strati alternati di stagno e zolfo, il suo gruppo di ricerca ha scoperto di recente una possibile scorciatoia, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Mostriamo che per alcune di queste proprietà, non c'è bisogno di andare ai fogli atomicamente sottili, " dice. "Puoi passare alla forma cristallina molto più facilmente accessibile che è disponibile sullo scaffale. Alcune delle proprietà vengono salvate e sopravvivono".

Capire il movimento degli elettroni

Questo, Certo, potrebbe semplificare notevolmente la progettazione del dispositivo.

"Questi materiali sono così insoliti che continuiamo a scoprirne sempre di più, e stanno rivelando alcune caratteristiche incredibili che pensiamo di poter usare, ma come facciamo a saperlo con certezza?" dice Monti. "Un modo per saperlo è capire come gli elettroni si muovono in questi materiali in modo da poter sviluppare nuovi modi di manipolarli, ad esempio, con la luce invece della corrente elettrica come fanno i computer convenzionali."

Per fare questa ricerca, il team ha dovuto superare un ostacolo che non era mai stato superato prima:trovare un modo per "osservare" i singoli elettroni mentre fluiscono attraverso i cristalli.

"Abbiamo costruito quello che essenzialmente è un orologio che può cronometrare gli elettroni in movimento come un cronometro, "Ciò spiega Monti. "Questo ci ha permesso di effettuare le prime osservazioni dirette degli elettroni che si muovono nei cristalli in tempo reale. Fino ad ora, che era stato fatto solo indirettamente, utilizzando modelli teorici".

Il lavoro è un passo importante verso lo sfruttamento delle caratteristiche insolite che rendono i TMD intriganti candidati per la futura tecnologia di elaborazione, perché ciò richiede una migliore comprensione di come si comportano e si muovono gli elettroni al loro interno.

Il "cronometro" di Monti consente di tracciare gli elettroni in movimento con una risoluzione di un semplice attosecondo, un miliardesimo di miliardesimo di secondo. Tracciare gli elettroni all'interno dei cristalli, il team ha fatto un'altra scoperta:il flusso di carica dipende dalla direzione, un'osservazione che sembra volare di fronte alla fisica.

Collaborando con Mahesh Neupane, un fisico computazionale presso i Laboratori di Ricerca dell'Esercito, e Dennis Nordlund, un esperto di spettroscopia a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory della Stanford University, Il team di Monti ha usato un sintonizzabile, sorgente di raggi X ad alta intensità per eccitare i singoli elettroni nei loro campioni di prova ed elevarli a livelli di energia molto elevati.

"Quando un elettrone è eccitato in quel modo, è l'equivalente di un'auto che viene spinta da 10 miglia orarie a migliaia di miglia orarie, "Spiega Monti. "Vuole liberarsi di quell'enorme energia e tornare al suo livello energetico originale. Questo processo è estremamente breve, e quando ciò accade, emana una firma specifica che possiamo raccogliere con i nostri strumenti."

I ricercatori sono stati in grado di farlo in un modo che ha permesso loro di distinguere se gli elettroni eccitati sono rimasti all'interno dello stesso strato del materiale, o diffondersi in strati adiacenti attraverso il cristallo.

"Abbiamo visto che gli elettroni eccitati in questo modo si sono sparsi all'interno dello stesso strato e lo hanno fatto in modo estremamente veloce, nell'ordine di poche centinaia di attosecondi, "dice Monti.

In contrasto, gli elettroni che si sono incrociati negli strati adiacenti hanno impiegato più di 10 volte più tempo per tornare al loro stato energetico fondamentale. La differenza ha permesso ai ricercatori di distinguere tra le due popolazioni.

"Ero molto entusiasta di scoprire quel meccanismo direzionale di distribuzione della carica che si verifica all'interno di uno strato, al contrario di strati interi, "dice Eads, l'autore principale del documento. "Non era mai stato osservato prima."

Più vicino alla produzione di massa

L'"orologio" a raggi X utilizzato per tracciare gli elettroni non fa parte delle applicazioni previste ma un mezzo per studiare il comportamento degli elettroni al loro interno, Monti spiega, un primo passo necessario per avvicinarsi alla tecnologia con le proprietà desiderate che potrebbero essere prodotte in serie.

"Un esempio del comportamento insolito che vediamo in questi materiali è che un elettrone che va a destra non è lo stesso di un elettrone che va a sinistra, " dice. "Questo non dovrebbe accadere, secondo la fisica dei materiali standard, andare a sinistra oa destra è esattamente la stessa cosa. Però, per questi materiali non è vero."

Questa direzionalità è un esempio di ciò che rende i TMD intriganti per gli scienziati, perché potrebbe essere usato per codificare le informazioni.

"Spostarsi a destra potrebbe essere codificato come 'uno' e andare a sinistra come 'zero, '" dice Monti. "Quindi se riesco a generare elettroni che vanno ordinatamente a destra, ne ho scritti un mucchio, e se riesco a generare elettroni che vanno ordinatamente a sinistra, Ho generato un mucchio di zeri."

Invece di applicare corrente elettrica, gli ingegneri potrebbero manipolare gli elettroni in questo modo usando la luce come un laser, scrivere otticamente, leggere ed elaborare le informazioni. E forse un giorno potrebbe persino diventare possibile intrecciare otticamente le informazioni, aprendo la strada all'informatica quantistica.

"Ogni anno, sempre più scoperte stanno avvenendo in questi materiali, " Eads dice. "Stanno esplodendo in termini di quali tipi di proprietà elettroniche si possono osservare in essi. C'è un intero spettro di modi in cui possono funzionare, dal superconduttore, da semiconduttori a isolanti, e forse di più".

La ricerca qui descritta è solo un modo per sondare l'imprevisto, proprietà eccitanti dei cristalli TMD stratificati, secondo Monti.

"Se hai fatto questo esperimento con il silicio, non vedresti niente di tutto questo, " dice. "Il silicio si comporterà sempre come un cristallo tridimensionale, non importa quello che fai. È tutta una questione di stratificazione".