Il silicio ha pochi concorrenti seri come materiale di scelta nell'industria elettronica. Eppure transistor, le valvole commutabili che controllano il flusso di elettroni in un circuito, non può semplicemente continuare a rimpicciolirsi per soddisfare le esigenze di potenti, dispositivi compatti; limitazioni fisiche come il consumo di energia e la dissipazione del calore sono troppo significative.

Ora, usando un materiale quantistico chiamato ossido correlato, I ricercatori di Harvard hanno ottenuto un cambiamento reversibile nella resistenza elettrica di otto ordini di grandezza, un risultato che i ricercatori chiamano "colossale". In breve, hanno progettato questo materiale per funzionare in modo comparabile con i migliori interruttori al silicio.

La scoperta è avvenuta in quello che può sembrare un luogo improbabile:un laboratorio solitamente dedicato allo studio delle celle a combustibile, del tipo che funzionano a metano o idrogeno, guidato da Shriram Ramanathan, Professore Associato di Scienza dei Materiali presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). La familiarità dei ricercatori con i film sottili e il trasporto ionico ha permesso loro di sfruttare la chimica, piuttosto che la temperatura, per ottenere il drammatico risultato.

Poiché gli ossidi correlati possono funzionare ugualmente bene a temperatura ambiente o qualche centinaio di gradi sopra di essa, sarebbe facile integrarli nei dispositivi elettronici e nei metodi di fabbricazione esistenti. La scoperta, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , quindi stabilisce saldamente gli ossidi correlati come semiconduttori promettenti per futuri circuiti integrati tridimensionali e per adattativi, dispositivi fotonici sintonizzabili.

Silicio impegnativo

Sebbene i produttori di elettronica continuino a racchiudere maggiore velocità e funzionalità in pacchetti più piccoli, le prestazioni dei componenti a base di silicio colpiranno presto un muro.

"I transistor tradizionali al silicio hanno dei limiti di scalatura fondamentali, " dice Ramanathan. "Se li riduci oltre una certa dimensione minima, non si comportano esattamente come dovrebbero."

Eppure i transistor al silicio sono difficili da battere, con un rapporto on/off di almeno 10^4 richiesto per l'uso pratico. "È un bar piuttosto alto da attraversare, "Ramanathan spiega, aggiungendo che fino ad ora, esperimenti che utilizzano ossidi correlati hanno prodotto cambiamenti di solo circa un fattore 10, o 100 al massimo, vicino alla temperatura ambiente. Ma Ramanathan e il suo team hanno creato un nuovo transistor, costituito principalmente da un ossido chiamato nichelato di samario, che nel funzionamento pratico raggiunge un rapporto on/off maggiore di 10^5, cioè paragonabile ai transistor al silicio di ultima generazione.

In lavori futuri i ricercatori studieranno la dinamica di commutazione del dispositivo e la dissipazione di potenza; nel frattempo, questo progresso rappresenta un importante proof of concept.

"Il nostro transistor orbitale potrebbe davvero spingere le frontiere di questo campo e dire, sai cosa? Questo è un materiale che può sfidare il silicio, "dice Ramanathan.

Doping chimico allo stato solido

Gli scienziati dei materiali studiano da anni la famiglia degli ossidi correlati, ma il campo è ancora nella sua infanzia, con la maggior parte delle ricerche volte a stabilire le proprietà fisiche di base dei materiali.

"Abbiamo appena scoperto come drogare questi materiali, che è un passo fondamentale nell'uso di qualsiasi semiconduttore, "dice Ramanathan.

Il drogaggio è il processo di introduzione di diversi atomi nella struttura cristallina di un materiale, e influenza la facilità con cui gli elettroni possono attraversarlo, cioè fino a che punto resiste o conduce elettricità. Il drogaggio effettua tipicamente questo cambiamento aumentando il numero di elettroni disponibili, ma questo studio era diverso. Il team di Harvard ha manipolato il band gap, la barriera energetica al flusso di elettroni.

"Con una certa scelta di droganti, in questo caso, idrogeno o litio:possiamo allargare o restringere la banda proibita in questo materiale, elettroni in movimento deterministico dentro e fuori i loro orbitali, " Dice Ramanathan. Questo è un approccio fondamentalmente diverso da quello utilizzato in altri semiconduttori. Il metodo tradizionale cambia il livello di energia per raggiungere l'obiettivo; il nuovo metodo sposta l'obiettivo stesso.

In questo transistor orbitale, protoni ed elettroni si muovono dentro o fuori dal samario nichelato quando viene applicato un campo elettrico, indipendentemente dalla temperatura, quindi il dispositivo può essere utilizzato nelle stesse condizioni dell'elettronica convenzionale. è allo stato solido, il che significa che non coinvolge liquidi, gas, o parti meccaniche in movimento. E, in assenza di potere, il materiale ricorda il suo stato attuale, una caratteristica importante per l'efficienza energetica.

"Questo è il bello di questo lavoro, " dice Ramanathan. "È un effetto esotico, ma in linea di principio è altamente compatibile con i dispositivi elettronici tradizionali."

Materiali quantistici

A differenza del silicio, il nichelato di samario e altri ossidi correlati sono materiali quantistici, il che significa che le interazioni quantomeccaniche hanno un'influenza dominante sulle proprietà dei materiali, e non solo su piccola scala.

"Se hai due elettroni in orbitali adiacenti, e gli orbitali non sono completamente riempiti, in un materiale tradizionale gli elettroni possono spostarsi da un orbitale all'altro. Ma negli ossidi correlati, gli elettroni si respingono a tal punto da non potersi muovere, " Spiega Ramanathan. "L'occupazione degli orbitali e la capacità degli elettroni di muoversi nel cristallo sono molto strettamente legate tra loro, o 'correlate'. Fondamentalmente, questo è ciò che determina se il materiale si comporta come un isolante o un metallo".

Ramanathan e altri della SEAS hanno manipolato con successo la transizione metallo-isolante nell'ossido di vanadio, pure. Nel 2012, hanno dimostrato un dispositivo sintonizzabile in grado di assorbire il 99,75% della luce infrarossa, che appare nero alle telecamere a infrarossi.

Allo stesso modo, il nichelato di samario attirerà probabilmente l'attenzione dei fisici applicati che sviluppano dispositivi fotonici e optoelettronici.

"Aprire e chiudere il band gap significa che ora puoi manipolare i modi in cui la radiazione elettromagnetica interagisce con il tuo materiale, "dice Jian Shi, autore principale dell'articolo in Comunicazioni sulla natura . Ha completato la ricerca come borsista post-dottorato nel laboratorio di Ramanathan all'Harvard SEAS ed è entrato a far parte della facoltà del Rensselaer Polytechnic Institute questo autunno. "Solo applicando un campo elettrico, stai controllando dinamicamente come la luce interagisce con questo materiale."

Più avanti, Ricercatori del Centro per i materiali quantistici integrati, fondata ad Harvard nel 2013 grazie a una borsa di studio della National Science Foundation, mirano a sviluppare una classe completamente nuova di dispositivi e sistemi elettronici quantistici che trasformeranno l'elaborazione e il calcolo del segnale.

Ramanathan confronta lo stato attuale della ricerca sui materiali quantistici con gli anni '50, quando i transistor erano stati inventati di recente e i fisici stavano ancora dando loro un senso. "Siamo fondamentalmente in quell'era per questi nuovi materiali quantistici, " dice. "Questo è un momento emozionante per pensare a stabilire le basi, proprietà fondamentali. Nel prossimo decennio o giù di lì, questo potrebbe davvero maturare in una piattaforma di dispositivi molto eccitante."