Per costruire i chip per computer del futuro, i progettisti dovranno capire come si comporta una carica elettrica quando è confinata a fili metallici di appena pochi atomi di larghezza.
Ora, un team di fisici della McGill University, in collaborazione con i ricercatori della General Motors R&D, hanno dimostrato che la corrente elettrica può essere drasticamente ridotta quando i fili di due metalli diversi si incontrano. La sorprendente riduzione della corrente rivela una sfida significativa che potrebbe plasmare le scelte dei materiali e la progettazione dei dispositivi nel campo emergente della nanoelettronica.
La dimensione delle funzioni nei circuiti elettronici si riduce ogni anno, grazie alla miniaturizzazione aggressiva prescritta dalla legge di Moore, che postulava che la densità dei transistor sui circuiti integrati raddoppierebbe ogni 18 mesi circa. Questo progresso costante rende possibile portare in giro i computer nelle nostre tasche, ma pone serie sfide. Man mano che le dimensioni delle caratteristiche diminuiscono al livello degli atomi, la resistenza alla corrente non aumenta più a una velocità costante man mano che i dispositivi si restringono; invece la resistenza "salta, " mostra gli effetti controintuitivi della meccanica quantistica, dice il professore di fisica della McGill Peter Grütter.
"Potresti usare l'analogia di un tubo dell'acqua, " Spiega Grütter. "Se si mantiene costante la pressione dell'acqua, esce meno acqua man mano che si riduce il diametro del tubo. Ma se dovessi ridurre il tubo alla dimensione di una cannuccia di appena due o tre atomi di diametro, il deflusso non diminuirebbe più ad una velocità proporzionale all'area della sezione trasversale del tubo; varierebbe in modo quantizzato ("saltato")."
Questa "stranezza quantistica" è esattamente ciò che hanno osservato i ricercatori della McGill e della General Motors, come descritto in un nuovo documento apparso in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . I ricercatori hanno studiato un contatto ultra-piccolo tra oro e tungsteno, due metalli attualmente utilizzati in combinazione nei chip dei computer per collegare diversi componenti funzionali di un dispositivo.
Sul versante sperimentale della ricerca, Il laboratorio del Prof. Grütter ha utilizzato tecniche di microscopia avanzate per visualizzare una sonda di tungsteno e una superficie d'oro con precisione atomica, e di riunirli meccanicamente in modo preciso e controllato. La corrente elettrica attraverso il contatto risultante era molto inferiore al previsto. La modellazione meccanica della struttura atomica di questo contatto è stata eseguita in collaborazione con Yue Qi, un ricercatore presso il Centro di ricerca e sviluppo della General Motors a Warren, MI.
La modellazione elettrica all'avanguardia di Jesse Maassen nel gruppo di ricerca McGill Physics del professor Hong Guo ha confermato questo risultato, mostrando che le differenze nella struttura elettronica tra i due metalli portano a una diminuzione di quattro volte del flusso di corrente, anche per un'interfaccia perfetta. I ricercatori hanno inoltre scoperto che i difetti dei cristalli – gli spostamenti della disposizione normalmente perfetta degli atomi – generati portando i due materiali a contatto meccanico erano un'ulteriore ragione per la riduzione osservata della corrente.
"La dimensione di quel calo è di gran lunga maggiore di quanto la maggior parte degli esperti si aspetterebbe, nell'ordine di 10 volte maggiore, " nota il prof. Grütter.
I risultati indicano la necessità di future ricerche sui modi per superare questa sfida, eventualmente attraverso la scelta dei materiali o altre tecniche di lavorazione. "Il primo passo per trovare una soluzione è essere consapevoli del problema, " osserva Grütter. "Questa è la prima volta che è stato dimostrato che questo è un grosso problema" per i sistemi nanoelettronici".
