Nanotecnologia è un termine che si applica a una varietà di campi, dall'abbigliamento e le vernici per auto alle attrezzature sportive e all'elettronica. Alla fine è tutto riferito a una taglia, il nanometro (nm), e la capacità dell'uomo di comprendere, controllare e manipolare i fenomeni unici che si verificano in questa dimensione. Per prospettiva, un foglio di carta è circa 100, 000 nm di spessore.

Presso IBM Research e, in alcuni progetti, con il sostegno di fondi governativi, gli scienziati stanno esplorando la nanoscala per migliorare la densità di potenza e l'efficienza energetica dei dispositivi elettronici, compreso tutto, dai telefoni cellulari ai sensori IoT ai giganteschi data center cloud.

Uno di questi progetti è guidato dallo scienziato Elad Koren del laboratorio di Zurigo dell'IBM. Nel progetto, finanziato nell'ambito del programma Ambizione del Fondo nazionale svizzero per la scienza (FNS), il team è concentrato sulla comprensione della fisica di base dell'impilamento di materiali 2D, compreso il grafene attualmente popolare.

Mentre c'è molto clamore intorno al grafene, è considerato uno dei materiali più promettenti per i futuri dispositivi elettronici e quantistici a semiconduttore grazie alle sue proprietà elettroniche superiori. Presenta anche ricche proprietà fisiche a seconda di come è impilato sopra un altro cristallo 2D, ed è qui che diventa davvero interessante e un po' complicato.

Quando i due strati sovrapposti sono dello stesso materiale, come il grafene, una serie speciale di superreticoli 2D periodici emergerà ad angoli specifici. Tale disallineamento può anche indurre un bandgap nei sistemi di grafene a doppio strato producendo uno dei primi passi verso la costruzione di dispositivi di tipo transistor per dispositivi elettronici di prossima generazione che sono più potenti, ma efficiente dal punto di vista energetico.

Koren e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro primi risultati nel numero di settembre 2016 della rivista peer-review Nanotecnologia della natura . Nel documento il team ha dimostrato come utilizzando la punta acuminata di un microscopio a forza atomica è possibile controllare con precisione quella che sembra una comune chiave di casa (Fig. 1).

Il dispositivo a forma di chiave di dimensioni nanometriche può essere ruotato come le mani su una serratura da 0 a 360 gradi, che potrebbe essere utilizzato come interruttore per accendere e spegnere la corrente di un transistor ad effetto di campo tunnel (TFET), un passo importante nella riduzione delle perdite di energia nei dispositivi elettronici.

"Abbiamo raggiunto una precisione senza precedenti nel controllo della configurazione rotazionale con una risoluzione angolare, migliore di 0,1 gradi. Ciò ci consente sia di esplorare la natura fondamentale dello stack sia di realizzare il suo pieno potenziale, " disse Koren.

La capacità di controllare la configurazione di impilamento con elevata precisione angolare consente di controllare e progettare molte proprietà fisiche e realizzare nuovi materiali nuovi in ​​vari campi della scienza e della tecnologia come:elettronica, ottica, termoelettrico ed elettromeccanico.

Il dispositivo consente anche un elevato flusso magnetico all'interno di una cella a cristallo singolo che produce la famosa farfalla di Hofstadter, il comportamento teorizzato degli elettroni sotto un forte campo magnetico e un potenziale periodico.

Le leggi dell'attrito non sfuggono al regime nano e anche su questa piccola scala l'attrito diventa una sfida per il dispositivo a forma di chiave e, come sappiamo, l'attrito provoca calore, usura e dissipa energia, una proprietà sfortunata a questa scala.

Incredibilmente, il disallineamento rotazionale nei sistemi a strati 2D sopprime fortemente l'attrito e la dissipazione di energia, un effetto noto come superlubrificazione.

"Non c'è praticamente attrito. Si basa semplicemente sul trovare l'angolo giusto, "aggiunge Koren.

Koren spera che condividendo la sua ricerca con altri nel campo possa dare vita a nuovi materiali e progetti di dispositivi.