I ricercatori del MIT affermano di aver effettuato un'analisi teorica che mostra che una famiglia di materiali bidimensionali presenta proprietà quantistiche esotiche che potrebbero consentire un nuovo tipo di elettronica su nanoscala.

Si prevede che questi materiali mostrino un fenomeno chiamato effetto quantum spin Hall (QSH), e appartengono a una classe di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione, con strati di pochi atomi di spessore. I risultati sono dettagliati in un articolo apparso questa settimana sulla rivista Scienza , co-autore dei postdoc del MIT Xiaofeng Qian e Junwei Liu; assistente professore di fisica Liang Fu; e Ju Li, un professore di scienza e ingegneria nucleare e scienza e ingegneria dei materiali.

I materiali QSH hanno l'insolita proprietà di essere isolanti elettrici nella maggior parte del materiale, ma altamente conduttivo sui loro bordi. Questo potrebbe potenzialmente renderli un materiale adatto per nuovi tipi di dispositivi elettronici quantistici, molti ricercatori credono.

Ma sono stati sintetizzati solo due materiali con proprietà QSH, e le potenziali applicazioni di questi materiali sono state ostacolate da due gravi inconvenienti:il loro bandgap, una proprietà essenziale per realizzare transistor e altri dispositivi elettronici, è troppo piccolo, dando un basso rapporto segnale-rumore; e non hanno la capacità di accendersi e spegnersi rapidamente. Ora i ricercatori del MIT affermano di aver trovato il modo di aggirare potenzialmente entrambi gli ostacoli utilizzando materiali 2-D che sono stati esplorati per altri scopi.

I materiali QSH esistenti funzionano solo a temperature molto basse e in condizioni difficili, Fu dice, aggiungendo che "i materiali che abbiamo previsto per esibire questo effetto sono ampiamente accessibili... Gli effetti potrebbero essere osservati a temperature relativamente elevate".

"Ciò che viene scoperto qui è un vero materiale 2-D che ha questa caratteristica [QSH], " Dice Li. "I bordi sono come fili quantici perfetti."

I ricercatori del MIT dicono che questo potrebbe portare a nuovi tipi di elettronica quantistica a bassa potenza, così come i dispositivi spintronici, un tipo di elettronica in cui lo spin degli elettroni, piuttosto che la loro carica elettrica, viene utilizzato per trasportare informazioni.

Grafene, un bidimensionale, forma di carbonio dello spessore di un atomo con proprietà elettriche e meccaniche insolite, è stato oggetto di molte ricerche, che ha portato a ulteriori ricerche su materiali 2-D simili. Ma fino ad ora, pochi ricercatori hanno esaminato questi materiali per possibili effetti QSH, dice il team del MIT. "I materiali bidimensionali sono un campo molto attivo per molte potenziali applicazioni, " dice Qian, e il lavoro teorico di questo team ora mostra che almeno sei di questi materiali condividono queste proprietà QSH.

I ricercatori del MIT hanno studiato materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione, una famiglia di composti costituiti dai metalli di transizione molibdeno o tungsteno e dai non metalli tellurio, selenio, o zolfo. Questi composti formano naturalmente fogli sottili, solo atomi spessi, che possono sviluppare spontaneamente un pattern di dimerizzazione nella loro struttura cristallina. È questa dimerizzazione reticolare che produce gli effetti studiati dal team del MIT.

Mentre il nuovo lavoro è teorico, il team ha prodotto un progetto per un nuovo tipo di transistor basato sugli effetti calcolati. Chiamato transistor ad effetto di campo topologico, o TFET, il design si basa su un singolo strato di materiale 2-D racchiuso da due strati di nitruro di boro 2-D. I ricercatori affermano che tali dispositivi potrebbero essere prodotti ad altissima densità su un chip e avere perdite molto basse, consentendo un funzionamento ad alta efficienza.

Applicando un campo elettrico al materiale, lo stato QSH può essere attivato e disattivato, rendendo possibile una serie di dispositivi elettronici e spintronici, dicono.

Inoltre, questo è uno dei materiali conosciuti più promettenti per un possibile utilizzo nei computer quantistici, dicono i ricercatori. L'informatica quantistica è solitamente suscettibile di interruzioni, dal punto di vista tecnico, una perdita di coerenza, anche da perturbazioni molto piccole. Ma, Li dice, i computer quantistici topologici "non possono perdere la coerenza a causa di piccole perturbazioni. È un grande vantaggio per l'elaborazione delle informazioni quantistiche".

Poiché sono già in corso così tante ricerche su questi materiali 2-D per altri scopi, metodi per renderli efficienti possono essere sviluppati da altri gruppi e potrebbero quindi essere applicati alla creazione di nuovi dispositivi elettronici QSH, dice Qian.

Nai Phuan Ong, un professore di fisica all'Università di Princeton che non era collegato a questo lavoro, dice, "Anche se alcune delle idee sono state menzionate prima, l'attuale sistema sembra particolarmente promettente. Questo entusiasmante risultato collegherà due sottocampi molto attivi della fisica della materia condensata, isolanti topologici e dicalcogenuri."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.