Miliardi di minuscoli transistor forniscono la potenza di elaborazione dei moderni smartphone, controllo del flusso di elettroni con accensioni e spegnimenti rapidi.

Ma i continui progressi nell'impacchettare più transistor in dispositivi più piccoli stanno spingendo verso i limiti fisici dei materiali convenzionali. Le inefficienze comuni nei materiali dei transistor causano una perdita di energia che si traduce in accumulo di calore e durata della batteria più breve, quindi i ricercatori sono alla ricerca di materiali alternativi che consentano ai dispositivi di funzionare in modo più efficiente a una potenza inferiore.

Ora, un esperimento condotto presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha dimostrato, per la prima volta, commutazione elettronica in un esotico, materiale ultrasottile in grado di trasportare una carica con perdita quasi nulla a temperatura ambiente. I ricercatori hanno dimostrato questa commutazione sottoponendo il materiale a un campo elettrico a bassa corrente.

Il gruppo, che è stato guidato da ricercatori della Monash University in Australia e comprendeva scienziati del Berkeley Lab, ha cresciuto il materiale da zero e lo ha studiato con i raggi X presso l'Advanced Light Source (ALS), una struttura presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab).

Il materiale, noto come bismuto di sodio (Na3Bi), è uno dei due materiali che è noto per essere un "semimetallo di Dirac topologico, " il che significa che ha proprietà elettroniche uniche che possono essere sintonizzate per comportarsi in modi diversi, in alcuni casi più come un materiale convenzionale e in altri casi più come un materiale topologico. Le sue proprietà topologiche sono state confermate per la prima volta in precedenti esperimenti presso l'ALS.

I materiali topologici sono considerati candidati promettenti per i transistor di prossima generazione, e per altre applicazioni elettroniche e informatiche, a causa del loro potenziale per ridurre la perdita di energia e il consumo di energia nei dispositivi. Queste proprietà possono esistere a temperatura ambiente, una distinzione importante dai superconduttori che richiedono un raffreddamento estremo, e possono persistere anche quando i materiali presentano difetti strutturali e sono soggetti a stress.

I materiali con proprietà topologiche sono al centro di un'intensa ricerca da parte della comunità scientifica globale (vedi un articolo correlato), e nel 2016 è stato assegnato il Premio Nobel per la fisica per le teorie relative alle proprietà topologiche dei materiali.

La facilità nel commutare il materiale studiato all'ALS da uno stato elettricamente conduttore ad uno isolante, o stato non conduttore, di buon auspicio per le sue future applicazioni a transistor, disse Sung-Kwan Mo, uno scienziato dello staff della SLA che ha partecipato all'ultimo studio. Lo studio è dettagliato nell'edizione del 10 dicembre della rivista Natura .

Un altro aspetto chiave dell'ultimo studio è che il team della Monash University ha trovato un modo per farlo crescere estremamente sottile, fino a un singolo strato disposto a nido d'ape di atomi di sodio e bismuto, e per controllare lo spessore di ogni strato che creano.

"Se vuoi creare un dispositivo, vuoi renderlo sottile, " Mo ha detto. "Questo studio dimostra che può essere fatto per Na3Bi, e le sue proprietà elettriche possono essere facilmente controllate con bassa tensione. Siamo un passo più vicini a un transistor topologico".

Michael Führer, un fisico della Monash University che ha partecipato allo studio, disse, "Questa scoperta è un passo nella direzione dei transistor topologici che potrebbero trasformare il mondo della computazione".

Ha aggiunto, "L'elettronica topologica a bassissima energia è una potenziale risposta alla crescente sfida dello spreco di energia nell'informatica moderna. La tecnologia dell'informazione e delle comunicazioni consuma già l'8% dell'elettricità globale, e questo raddoppia ogni decennio".

Nell'ultimo studio, i ricercatori hanno coltivato i campioni di materiale, misura diversi millimetri di lato, su un wafer di silicio sotto vuoto ultraelevato presso l'ALS Beamline 10.0.1 utilizzando un processo noto come epitassia a fascio molecolare. La linea di luce consente ai ricercatori di coltivare campioni e quindi condurre esperimenti nelle stesse condizioni di vuoto per prevenire la contaminazione.

Questa linea di luce è specializzata per una tecnica a raggi X nota come spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, o ARPES, che forniscono informazioni su come gli elettroni viaggiano nei materiali. Nei tipici materiali topologici, gli elettroni scorrono attorno ai bordi del materiale, mentre il resto del materiale funge da isolante che impedisce questo flusso.

Alcuni esperimenti a raggi X su campioni simili sono stati eseguiti anche presso l'Australian Synchrotron per dimostrare che l'ultrasottile Na3Bi era indipendente e non interagiva chimicamente con il wafer di silicio su cui era cresciuto. I ricercatori avevano anche studiato campioni con un microscopio a scansione a effetto tunnel presso la Monash University che ha contribuito a confermare altre misurazioni.

"In questi sentieri di confine, gli elettroni possono viaggiare solo in una direzione, " ha detto Mark Edmonds, un fisico della Monash University che ha guidato lo studio. "E questo significa che non ci può essere 'back-scattering, ' che è ciò che causa la resistenza elettrica nei conduttori elettrici convenzionali."

In questo caso, i ricercatori hanno scoperto che il materiale ultrasottile diventava completamente conduttivo quando veniva sottoposto al campo elettrico, e potrebbe anche essere commutato per diventare un isolante attraverso l'intero materiale quando sottoposto a un campo elettrico leggermente più alto.

Mo ha affermato che la commutazione elettrica è un passo importante per realizzare applicazioni per i materiali:alcuni altri sforzi di ricerca hanno perseguito meccanismi come il drogaggio chimico o la deformazione meccanica che sono più difficili da controllare ed eseguire l'operazione di commutazione.

Il team di ricerca sta cercando altri campioni che possono essere attivati ​​e disattivati ​​in modo simile per guidare lo sviluppo di una nuova generazione di elettronica a bassissima energia, ha detto Edmonds.