Basandosi sulla necessità dell'Air Force di sviluppare dispositivi tecnologici che richiedono una ricarica minima sul campo, l'Università del Texas a San Antonio (UTSA) sta usando i principi della scienza e dell'ingegneria quantistica per costruire un dispositivo logico basato sul grafene. Questa nuova tecnologia migliorerà l'efficienza energetica dei dispositivi dipendenti dalla batteria, dai telefoni cellulari ai computer.

"Stiamo sviluppando dispositivi in ​​grado di funzionare quasi senza batteria, " ha detto Ethan Ahn, Professore assistente UTSA in ingegneria elettrica.

Gli ingegneri UTSA stanno usando la spintronica, lo studio della proprietà quantistica intrinseca di un elettrone chiamata spin, per consentire il funzionamento a bassa potenza con una possibile applicazione nel calcolo quantistico.

"Un elettrone è un po', ma magnete molto forte, " disse Ahn. " Immagina solo che un elettrone ruoti sul proprio asse, o su o giù».

I dispositivi tecnologici tradizionali utilizzano la carica elettronica degli elettroni per l'alimentazione. Nella spintronica, i ricercatori stanno sfruttando la rotazione intrinseca degli elettroni come nuova fonte di energia. Con questo nuovo approccio, dispositivi richiederanno meno elettroni per funzionare.

Ci sono ostacoli, però, nello sfruttare la potenza della rotazione. Nel calcolo quantistico che sfrutta la rotazione degli elettroni per trasmettere informazioni, la sfida per i ricercatori è come catturare lo spin nel modo più efficiente possibile.

"Se hai 100 elettroni iniettati nel canale per alimentare il prossimo circuito logico, potresti usare solo uno o due giri perché l'efficienza di iniezione è molto bassa. Questo è il 98 percento di spin perso, " ha detto Ahn.

Per evitare la perdita di rotazione, Ahn ha sviluppato la nuova idea della "interconnessione del carbonio a potenza zero" utilizzando i nanomateriali sia come canale di trasporto dello spin che come barriera del tunnel. Questi nanomateriali sono come un foglio di carta, uno strato bidimensionale di atomi di carbonio di pochi nanometri di spessore, ed è il punto di contatto in cui viene immessa l'iniezione di spin nel dispositivo. Il prototipo di Ahn è un'interconnessione costruita con uno strato ridotto di ossido di grafene.

"È nuovo perché stiamo usando il grafene, un nanomateriale, per migliorare l'iniezione di spin. Controllando la quantità di ossido sugli strati di grafene, possiamo mettere a punto la conduttività degli elettroni, " ha detto Ahn.

Il grafene ha un fascino diffuso perché è il nanomateriale più resistente al mondo. Infatti, la conduttività a temperatura ambiente del grafene è superiore a quella di qualsiasi altro materiale noto.

In caso di successo, l'interconnessione a zero emissioni di carbonio che Ahn sta creando con i suoi collaboratori all'UT-Austin e alla Michigan State University sarebbe integrata nel componente logico di un chip per computer.

Il dispositivo, una volta sviluppato, sarà presentato all'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica statunitense, che sostiene il lavoro dell'UTSA con una sovvenzione triennale.

"I militari hanno bisogno di dispositivi più piccoli che possano operare in campi remoti senza bisogno di ricaricare le batterie, " ha detto Ahn. "Se la nostra interconnessione a zero emissioni di carbonio avrà successo, migliorerà l'efficienza della spintronica del grafene, un passo cruciale nel progresso della prossima generazione di elettronica a bassa potenza come l'informatica quantistica".

Questa interconnessione potrebbe anche essere molto vantaggiosa per il settore del cloud computing. Secondo il Data Knowledge Center, le piattaforme di cloud computing on-demand come Amazon Web Services da sole consumano circa il due percento dell'energia nazionale. Se l'interconnessione a zero emissioni di carbonio ha successo, server cloud come quelli che offrono servizi di streaming come Netflix o dati host, potrebbe funzionare più velocemente e con meno elettricità.