I transistor tradizionali si basano sulla modulazione della corrente elettrica sotto un campo elettrico, cosa possibile solo utilizzando materiali semiconduttori. Nei semiconduttori, ci sono meno portatori di carica liberi rispetto ai metalli, e il livello di Fermi (che è il lavoro termodinamico richiesto per aggiungere un elettrone al sistema) si trova in una banda proibita di energia, il che implica che gli elettroni sono più difficili da eccitare. /P>

Drogando i semiconduttori è possibile creare un certo numero di portatori liberi, ad esempio in una banda vuota, che ora possono essere eccitati con momenti maggiori e quindi possono trasportare corrente elettrica attraverso il materiale.

Con i semiconduttori è possibile un flusso controllato di elettroni da una sorgente a un pozzo sotto l'applicazione di un campo elettrico. Poiché la caratteristica corrente-tensione del materiale è fortemente non lineare, un segnale elettrico può quindi essere amplificato o soppresso, come in un diodo a giunzione p-n.

Perché i transistor sono fatti di semiconduttori e non, ad esempio, di metalli? Con i conduttori metallici non è possibile realizzare transistor a causa del gran numero di elettroni liberi (estremamente mobili), che schermano completamente il campo elettrico all'interno del materiale.

In pratica, non appena si attiva un campo elettrico attraverso il campione conduttore, tutti gli elettroni si muovono quasi istantaneamente all'interno del campione e si ridistribuiscono internamente in modo tale che la loro nuova distribuzione spaziale crei un campo elettrico che annulla esattamente il campo elettrico applicato esternamente.

Questo fenomeno impedisce quindi la possibilità di controllare il flusso di elettricità (microscopicamente, il flusso di elettroni liberi) quando un campo elettrico esterno viene attivato attraverso il conduttore.

Recentemente, superconduttori metallici spessi solo pochi nanometri sono stati utilizzati sperimentalmente per realizzare un nuovo effetto di campo elettrico come via praticabile verso i transistor metallici. I materiali superconduttori sono metalli che, se raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica, possono supportare il flusso di elettroni senza resistenza. In altre parole, sono conduttori ideali dove l'elettricità può passare senza dissipazione o resistenza.

La ragione di questo comportamento apparentemente magico risiede nella formazione di coppie di elettroni tenute insieme da un "collante" fornito dai moti termici del reticolo. Queste coppie obbediscono alla statistica quantistica (statistica di Bose-Einstein), che consente a un numero enorme di particelle (coppie di elettroni incollati, in questo caso) di occupare lo stato energetico più basso o lo stato fondamentale.

Lo stato fondamentale forma quindi una funzione d'onda quantistica coerente che è immune dai processi di diffusione che generano resistività e, quindi, gli elettroni possono fluire liberamente attraverso il materiale e trasportare elettricità senza dissipazione di energia.

Lavorando con questi dispositivi metallici superconduttori, un team sperimentale guidato da Francesco Giazotto del Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) italiano ha osservato che un campo elettrico esterno di ampiezza sufficiente può sopprimere la corrente elettrica. Questo fenomeno consente quindi l'uso del film sottile superconduttore come un diodo, poiché ora possiamo controllare la corrente elettrica attraverso il metallo regolando il campo elettrico esterno.

Anche se gli esperimenti sono stati condotti utilizzando materiali convenzionali molto standard (ad esempio l’alluminio), questo effetto non poteva essere spiegato dalla teoria standard della superconduttività (che è stata sviluppata dallo stesso fisico, John Bardeen, che ha co-scoperto il transistor e per la quale gli fu assegnato un secondo premio Nobel per la fisica, un caso del tutto eccezionale nella storia).

Questa teoria, nota come teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer o BCS, spiega che i movimenti termici del reticolo (fononi) forniscono il collante che forma le coppie di elettroni travolgendo l'interazione repulsiva di Coulomb tra i due elettroni.

Negli ultimi anni ho lavorato su una teoria che generalizza la teoria BCS a film metallici molto sottili, con uno spessore di pochi nanometri o addirittura inferiore a un nanometro.

In questa nuova teoria, ho implementato matematicamente il principio secondo cui anche le particelle quantistiche come gli elettroni sono associate a una lunghezza d'onda. Se questa lunghezza d'onda supera la dimensione del film sottile, l'elettrone corrispondente non può propagarsi attraverso il campione.

Facendo due conti, insieme al mio studente Riccardo Travaglino, ho scoperto che la corrispondente distribuzione degli stati elettronici nello spazio delle quantità di moto disponibili (dove la quantità di moto di una particella quantistica è proporzionale all'inverso della sua lunghezza d'onda) viene modificata dalla confinamento geometrico.

In particolare, abbiamo scoperto che la cosiddetta sfera di Fermi, che descrive i momenti occupati degli stati di elettroni liberi nei metalli, acquisisce due "tasche bucate" sferiche simmetriche di stati proibiti (vedi figura sopra). Utilizzando questo risultato, siamo stati in grado di calcolare la temperatura critica alla quale il metallo diventa superconduttore, in ottimo accordo con i dati sperimentali.

Pochi mesi dopo, nella primavera del 2023, ho incontrato il professor Vladimir Fomin dell’Istituto Leibniz di Dresda e gli ho illustrato le nostre scoperte. Ha subito sottolineato la potenziale rilevanza della nostra teoria per il "diodo metallico superconduttore" sperimentale scoperto da Giazotto e collaboratori.

Durante l'estate del 2023, con il Professor Fomin, abbiamo così avviato una collaborazione finalizzata all'implementazione della teoria del confinamento per descrivere un film sottile superconduttore sottoposto a un campo elettrico esterno.

Per questa nuova teoria bisognava tener conto del fatto che anche il "collante" fornito dai fononi risente della concentrazione degli elettroni liberi, così come la loro repulsione coulombiana. Queste quantità, a loro volta, sono entrambe fortemente influenzate dal confinamento del film sottile.

La nuova teoria, tenendo conto di questi aspetti cruciali, mostra per la prima volta che la teoria microscopica di Bardeen-Cooper-Schrieffer, opportunamente modificata, che tiene conto del confinamento, può prevedere la soppressione indotta dal campo elettrico della corrente elettrica superconduttiva a causa degli effetti di confinamento delle onde quantistiche in ultra -pellicole sottili.

In pratica, a causa del confinamento, ci sono sacche di buchi all'interno del mare di Fermi che portano ad una maggiore densità di stati sulla superficie di Fermi. A sua volta, questo effetto aumenta la repulsione di Coulomb tra gli elettroni nella misura in cui un campo elettrico può facilmente rompere le coppie di elettroni tenute insieme dalla "colla" fononica. La teoria spiega quindi che questo effetto diventa maggiore al diminuire dello spessore del film, in accordo con le osservazioni sperimentali.

Grazie a questa nuova teoria, un’intera gamma di materiali per porte quantistiche può essere sviluppata e ottimizzata in applicazioni future. Inoltre, la teoria del confinamento prevede una nuova transizione topologica riducendo ulteriormente lo spessore del film da una topologia banale della superficie di Fermi a una topologia non banale associata a un cambiamento nelle proprietà elettroniche.

La nostra ricerca è pubblicata sulla rivista Physical Review B .

Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su Science X Dialog e su come partecipare.