Con l'avvento dei transistor a semiconduttore, inventati nel 1947 in sostituzione di tubi a vuoto ingombranti e inefficienti, è arrivata la costante richiesta di dispositivi più veloci, tecnologie più efficienti dal punto di vista energetico. Per colmare questa esigenza, i ricercatori dell'Università di Pittsburgh stanno proponendo una nuova svolta su un vecchio metodo:un passaggio dall'uso dell'elettronica al silicio al vuoto come mezzo per il trasporto degli elettroni, mostrando un significativo cambiamento di paradigma nell'elettronica. I loro risultati sono stati pubblicati online in Nanotecnologia della natura 1 luglio.
Negli ultimi 40 anni, il numero di transistor posti sui circuiti integrati in dispositivi come computer e smartphone è raddoppiato ogni due anni, produrre macchine più veloci ed efficienti. Questo effetto di sdoppiamento, comunemente nota come "Legge di Moore, "si è verificato dalla capacità degli scienziati di ridurre continuamente le dimensioni del transistor, producendo così chip per computer con prestazioni migliori a tutto tondo. Però, poiché le dimensioni dei transistor si sono avvicinate a scale nanometriche inferiori, è diventato sempre più difficile e costoso estendere ulteriormente la legge di Moore.
"Le barriere fisiche stanno impedendo agli scienziati di ottenere un'elettronica più efficiente, " ha detto Hong Koo Kim, ricercatore principale del progetto e professore di Bell of Pennsylvania/Bell Atlantic presso la Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh. "Abbiamo lavorato per risolvere quel blocco stradale studiando i transistor e il suo predecessore:il vuoto".
Il limite ultimo della velocità del transistor, dice Kim, è determinato dal "tempo di transito dell'elettrone, " o il tempo impiegato da un elettrone per viaggiare da un dispositivo all'altro. Gli elettroni che viaggiano all'interno di un dispositivo a semiconduttore spesso subiscono collisioni o dispersione nel mezzo a stato solido. Kim lo paragona alla guida di un veicolo su una strada accidentata:le auto non possono accelerare molto. Allo stesso modo, l'energia degli elettroni necessaria per produrre elettronica più veloce è ostacolata.
"Il modo migliore per evitare questa dispersione, o ingorgo, sarebbe non utilizzare alcun mezzo, come il vuoto o l'aria in uno spazio su scala nanometrica, "ha detto Kim. "Pensatelo come un aeroplano nel cielo che crea un viaggio senza ostacoli verso la sua destinazione."
Però, dice Kim, i dispositivi elettronici del vuoto convenzionali richiedono alta tensione, e non sono compatibili con molte applicazioni. Perciò, il suo team ha deciso di ridisegnare completamente la struttura del dispositivo elettronico del vuoto. Con l'assistenza di Siwapon Srisonphan, un dottorando Pitt, e Yun Suk Jung, un borsista post-dottorato Pitt in ingegneria elettrica e informatica, Kim e il suo team hanno scoperto che gli elettroni intrappolati all'interno di un semiconduttore all'interfaccia con uno strato di ossido o metallo possono essere facilmente estratti nell'aria. Gli elettroni ospitati all'interfaccia formano un foglio di cariche, chiamato gas di elettroni bidimensionale. Kim ha scoperto che la repulsione coulombiana, l'interazione tra particelle caricate elettricamente, nello strato di elettroni consente la facile emissione di elettroni dal silicio. Il team ha estratto gli elettroni dalla struttura del silicio in modo efficiente applicando una quantità trascurabile di tensione e poi li ha collocati nell'aria, consentendo loro di viaggiare balisticamente in un canale su scala nanometrica senza collisioni o dispersione.
"L'emissione di questo sistema di elettroni nei canali del vuoto potrebbe consentire una nuova classe di dispositivi a bassa potenza, transistor ad alta velocità, ed è anche compatibile con l'attuale elettronica al silicio, integrando l'elettronica aggiungendo nuove funzioni che sono più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico grazie alla bassa tensione, " ha detto Kim.
Con questa constatazione, lui dice, c'è il potenziale per il ritorno del concetto di transistor a vuoto, ma in un modo fondamentalmente diverso e migliorato.
