Nell'elettronica, niente funziona senza transistor:sono gli elementi costitutivi fondamentali su cui si basano i circuiti logici nei chip dei nostri computer. Di solito sono costituiti da cristalli di silicio, drogato con altri tipi di atomi. Un gruppo di ricerca svizzero/austriaco (TU Wien, l'Università di Vienna, l'Università di Zurigo, IBM Zurich) è ora riuscita a sviluppare un transistor che funziona in modo fondamentalmente diverso e consiste esclusivamente di una singola molecola. Invece di tre elettrodi, come in un transistor convenzionale, questa molecola interruttore ne richiede solo due. Il nuovo nanoswitch è stato presentato sulla rivista specializzata Nanotecnologia della natura .

Zero o uno

"La caratteristica fondamentale di un transistor è che può assumere due stati diversi, " spiega Robert Stadler dell'Istituto di Fisica Teorica della TU Wien (all'inizio del progetto lavorava ancora presso il Dipartimento di Chimica Fisica dell'Università di Vienna). A seconda dello stato in cui si trova il transistor, o permette alla corrente di fluire oppure no. Un transistor convenzionale a cristalli di silicio ha quindi tre contatti:la corrente è fornita da uno di questi, ed è in grado di confluire nel secondo; che ciò avvenga effettivamente o meno dipende dalla tensione applicata al terzo contatto, che è noto come "contatto di porta".

Per poter ospitare sempre più transistor in un'area sempre più piccola, i transistor hanno continuato a ridursi di dimensioni negli ultimi decenni. Ciò ha drasticamente migliorato l'efficienza nell'elettronica, ma lo fa, però, portare con sé problemi tecnici sempre maggiori. Con la tecnologia convenzionale del silicio, di conseguenza si incontrano limitazioni fisiche. "Con cristalli estremamente piccoli non si ha più un controllo sufficiente sulle proprietà elettroniche, soprattutto se rimane solo un piccolo numero di droganti e lo strato isolante del gate consente sempre più perdite, " spiega Stadler. "Tuttavia, se passi dai cristalli alle molecole organiche su scala nanometrica, hai quindi nuove opportunità per modificare le caratteristiche del trasporto."

Dalla molecola al transistor

All'Università di Zurigo, i chimici hanno quindi sintetizzato strutture molecolari organometalliche dotate di singoli atomi metallici di ferro, rutenio o molibdeno. Queste molecole di design, che sono lunghi solo circa due nanometri e mezzo, vengono quindi accuratamente collegati utilizzando due contatti dorati presso il laboratorio di ricerca IBM di Rüschlikon prima che possa essere applicata loro la tensione.

Per uno dei tipi di molecole testati, che ha al suo interno un atomo di molibdeno, sono state osservate alcune proprietà piuttosto notevoli:similmente a un transistor al silicio, questa molecola passa avanti e indietro tra due diversi stati, che differiscono di tre ordini di grandezza per quanto riguarda la loro conducibilità. Sono state necessarie complesse simulazioni al computer per comprendere il processo sottostante; questi sono stati condotti da Robert Stadler e dal suo studente di dottorato Georg Kastlunger presso il Vienna Scientific Cluster (VSC). Ciò ha permesso di decodificare il meccanismo a livello fisico quantistico.

"Direttamente sull'atomo di molibdeno c'è un certo spazio che può essere occupato da un elettrone, " dice Robert Stadler. "La quantità di corrente che può fluire attraverso la molecola a un certo voltaggio dipende dal fatto che ci sia o meno un elettrone che occupa o meno questo spazio". E questo di per sé può essere controllato. Se lo spazio è occupato , relativamente poca corrente scorrerà a bassa tensione. A un voltaggio più alto, però, l'elettrone può essere spostato dal suo posto speciale sull'atomo di molibdeno. Di conseguenza, il sistema passa a un nuovo stato con conducibilità migliorata di un fattore di circa mille, provocando un forte aumento del flusso di corrente. È quindi possibile eseguire sia un processo di commutazione che di selezione tramite i due contatti dorati, tra cui è fissata la molecola. Un terzo elettrodo, come di solito è richiesto per un transistor convenzionale, non è più necessario, che semplifica notevolmente il processo di cablaggio.

Tecnologia per i chip del futuro

La tecnologia stessa, però, è ancora troppo costoso per essere messo in produzione di massa per i chip dei computer commerciali. Per questo gli esperimenti sono stati condotti a basse temperature e in ultra-alto vuoto. Però, IBM sta già lavorando a progetti per incorporare molte di queste molecole in nanopori su un chip di silicio, in modo che funzionino in condizioni ambientali normali a temperatura ambiente. "Sarebbe più semplice e i nostri metodi teorici sarebbero senza dubbio adatti a tali sistemi, pure, " afferma Stadler con sicurezza. "Forse molecole organiche con atomi di metallo integrati possono aprire la strada a interruttori ultra-piccoli per nuovi sistemi di archiviazione; in ogni caso, c'è il potenziale per applicazioni entusiasmanti, tanto più che l'omissione del terzo elettrodo consente densità di integrazione senza rivali."