Miniaturizzando incessantemente una tecnologia informatica antecedente la seconda guerra mondiale, e combinando questo con un materiale nuovo e durevole, i ricercatori della Case Western Reserve University hanno costruito interruttori e porte logiche su nanoscala che funzionano in modo più efficiente dal punto di vista energetico di quelli ora utilizzati da miliardi di persone nei computer, tablet e smartphone.

Gli interruttori elettromeccanici erano gli elementi costitutivi dell'elettronica prima che il transistor a stato solido fosse sviluppato durante la guerra. Una versione in carburo di silicio, alla più piccola delle scale, si accende e si spegne come un interruttore della luce, e con nessuna delle perdite di corrente che sprecano energia che affliggono oggi i più piccoli dispositivi elettronici.

Gli scienziati riferiscono oggi i loro risultati all'International Electron Devices Meeting a Washington D.C.

La parte mobile del minuscolo interruttore ha un volume di circa un micron cubo, più di mille volte più piccolo dei dispositivi realizzati negli attuali sistemi microelettromeccanici (MEMS) tradizionali. Così, questo interruttore può muoversi molto più velocemente ed è molto più leggero.

L'interruttore si è anche dimostrato durevole, operando per più di 10 milioni di cicli in aria, a temperatura ambiente e calore elevato senza perdita di prestazioni, molto più a lungo rispetto alla maggior parte degli altri candidati per un interruttore senza perdite.

Tale tolleranza può consentire ai produttori di elettronica di costruire un computer che opera all'interno del calore intenso di un reattore nucleare o di un motore a reazione. I transistor al silicio iniziano a deteriorarsi a circa 250 gradi Celsius (480 gradi Fahrenheit). I test hanno dimostrato che gli interruttori in carburo di silicio funzionano a più di 500 gradi Celsius (930 gradi Fahrenheit).

Lo sviluppo è significativo perché i dispositivi di commutazione sono al centro delle tecnologie informatiche e di comunicazione.

"Nelle nostre tasche e zaini, al giorno d'oggi spesso trasportiamo dispositivi mobili costituiti da miliardi di tali elementi costitutivi, che si accendono e si spengono per svolgere le funzioni di elaborazione delle informazioni, " ha spiegato Philip Feng, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Case Western Reserve e capofila del progetto.

Transistor ad effetto di campo a base di silicio metallo-ossido-semiconduttore, chiamati MOSFET, sono i dispositivi di commutazione dominanti nei circuiti integrati e hanno portato a molte tecnologie straordinarie di cui godono oggi, Feng ha detto. Ma la continua miniaturizzazione dei MOSFET al silicio negli ultimi decenni ha recentemente rallentato, poiché il consumo di energia e la dissipazione del calore sono diventate sfide importanti.

L'energia viene persa e il calore viene generato perché i MOFSET su scala nanometrica perdono come un vecchio rubinetto. Gli elettroni continuano a viaggiare attraverso un interruttore spento.

"Gli interruttori al silicio perdono potenza a circa 1-10 nanowatt ciascuno, " Feng ha detto. "Quando hai un miliardo di questi su un chip di computer, stai perdendo da pochi a decine di watt di potenza. Che consumerà la batteria che porti, anche quando i transistor non svolgono attivamente funzioni di calcolo."

I grandi data center non solo sprecano quell'energia, stanno pagando i costi del raffreddamento per evitare il surriscaldamento dei computer.

Tina Lui, Dottoranda del Prof. Feng in ingegneria elettrica e informatica presso Case School of Engineering, fornirà dettagli su come realizzare e testare gli interruttori nella sua presentazione, Interruttori nanoelettromeccanici e porte logiche in carburo di silicio (SiC) con cicli lunghi e prestazioni robuste in aria ambiente e ad alta temperatura, al meeting internazionale. È programmata per parlare alla sessione "Nano Device Technology – Steep-Slope Devices" alle 15:40. (ora degli Stati Uniti orientali), Lunedì, 9 dicembre

Il team di ricerca ha realizzato tre terminali, interruttori controllati da porte e diversi tipi di porte logiche:elementi fondamentali utilizzati nell'informatica e nelle comunicazioni.

"Rispetto al silicio e ad altri materiali comuni, Il SiC è piuttosto speciale perché è molto più resistente all'ossidazione, ai contaminanti chimici e all'usura, " Feng ha detto. "Queste proprietà dovrebbero prestarsi a dispositivi con prestazioni più robuste proteggendoli da ambienti operativi difficili".