Preparare il perfetto sandwich su scala nanometrica con ingredienti a base di ossigeno non è stato un picnic.

Ma con l'assistenza di due fisici del Nebraska, un team internazionale di ricercatori ci è finalmente riuscito, ponendo fine a una ricerca di quasi 15 anni per osservare un fenomeno che potrebbe aiutare ad alimentare e miniaturizzare una futura generazione di elettronica.

Nel 2004, i ricercatori hanno osservato un gas di elettroni che scorre bidimensionalmente attraverso un nano-sandwich costituito da ossidi:composti chimici contenenti atomi di ossigeno. Quella dimostrazione di un gas di elettroni 2-D ha segnalato la promessa di confinare la corrente elettrica in spazi più piccoli e, a sua volta, restringimento dei componenti elettronici su scale più piccole.

Eppure l'elettrone caricato negativamente ha una controparte:un "buco" caricato positivamente che lascia quando viene espulso dalla sua orbita attorno a un atomo. Quindi i fisici hanno deciso di creare e osservare un gas foro 2-D che funge anche da fonte di corrente elettrica.

Come dettagliato nella rivista Materiali della natura , ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison e dell'Università del Nebraska-Lincoln hanno aperto la strada alla realizzazione dell'impresa tanto agognata. Ciò ha richiesto diversi anni di perfezionamento sia degli ingredienti che della preparazione. Evgeny Tsymbal e Tula Paudel del Nebraska hanno informato quest'ultimo eseguendo calcoli e modelli basati sulla teoria attraverso l'Holland Computing Center dell'università.

La ricetta in sé sembrava abbastanza semplice. Per produrre un gas di elettroni 2-D, i ricercatori avevano precedentemente impilato uno strato di ossido caricato positivamente su una base neutra, scoprendo che gli elettroni caricati negativamente si sono riversati verso il basso nello spazio nanoscopico tra i due. Aggiungendo uno strato caricato negativamente sopra la fetta positiva, quindi tappando il nano-sandwich con un altro strato neutro, i ricercatori avevano sperato di vedere buchi caricati positivamente che imitavano quel comportamento migrando verso l'alto per formare il proprio gas 2-D.

Hanno resistito. Come mai? Gli atomi di ossigeno stavano abbandonando i loro posti, e le loro vacanze caricate positivamente, inutili per produrre una corrente elettrica, impedivano ai fori di risalire.

"Abbiamo esaminato le diverse concentrazioni delle vacanze di ossigeno, le diverse posizioni di questi difetti, e come cambia il comportamento (di conseguenza), " disse Tsymbal, Professore di Fisica e Astronomia alla George Holmes University.

Il team ha scoperto che poteva farla franca con alcuni atomi di ossigeno assenti fintanto che quelli nel bel mezzo dell'azione riuscivano a rimanere saldi.

"Il posizionamento è importante, "disse Paolo, un professore assistente di ricerca che ha eseguito la maggior parte dei calcoli. "Non vuoi le vacanze di ossigeno vicino alla regione in cui dovresti avere un foro di gas bidimensionale."

Quelle intuizioni, combinato con specifiche precise per lo spessore di ogni fetta nel nano-sandwich, esperimenti guidati che si svolgono nel Wisconsin. Costruendo quelle fette atomo per atomo - più facile da fare con gli ossidi rispetto a molte altre classi di materiali - e fabbricando il materiale in un ambiente pressurizzato, ambiente ricco di ossigeno che riduce al minimo i posti vacanti, i ricercatori del Wisconsin sono riusciti a produrre e caratterizzare il gas del foro 2-D.

Per decenni, gli ingegneri hanno fabbricato la maggior parte dei componenti elettronici da materiali semiconduttori come silicio, il cavallo di battaglia del settore.

"Il problema è che ci stiamo avvicinando a limiti fondamentali, " disse Tsymbal, direttore del Centro di scienza e ingegneria per la ricerca sui materiali del Nebraska. "Ad un certo punto (presto), ci avvicineremo a certi limiti oltre i quali non potremo continuare (seguendo) la road map dei semiconduttori come facevamo prima. Quindi dobbiamo cambiare concettualmente il modo in cui funzionano i nostri dispositivi".

Uno di questi limiti è lo spazio. La corsa per stipare più funzionalità:memoria, per esempio, in dispositivi sempre più piccoli ha lasciato gli ingegneri a guardare verso ossidi e altri materiali che, quando combinato, può spremere la conduttività nei confini più ristretti. Il nuovo studio ha sfruttato un ossido chiamato titanato di stronzio, quello che Tsymbal ha descritto come il "silicio dell'elettronica dell'ossido" per raggiungere questo obiettivo.

"Il vantaggio qui è che il confinamento, lo spessore di questo gas bidimensionale di elettroni o lacune, è molto più piccolo rispetto a quello che si ha nei semiconduttori, " disse Tsymbal. "Invece di, Per esempio, decine di nanometri, possiamo limitarlo a un nanometro. Così, in linea di principio, possiamo rendere i dispositivi molto più piccoli rispetto a quelli dell'elettronica dei semiconduttori".

Sebbene il titanato di stronzio e i suoi fratelli di ossido generalmente non mostrino magnetismo da soli, a volte lo fanno quando combinati. Mostrano persino il potenziale della superconduttività, la corrente elettrica che scorre senza alcuna resistenza, e altre proprietà interessanti per gli ingegneri elettrici e informatici.

Come teorici, Tsymbal e Paudel sono interessati ai fenomeni che potrebbero emergere da elettroni 2-D e gas lacustri che fluiscono in parallelo attraverso lo stesso materiale. Tra questi:l'accoppiamento di elettroni e lacune in eccitoni simili a particelle che si comportano in modo diverso come un grande collettivo rispetto a come si comportano da soli.

"Gli ossidi che vantano questi gas 2-D complementari potrebbero ora iniziare a servire come laboratori nanoscopici in cui creare e studiare nuova fisica, " ha detto Paolo.

Come questi fenomeni potrebbero eventualmente essere applicati rimane una questione aperta, Tsymbal ha detto, ma vale la pena esplorarlo.

"Quando i ricercatori hanno iniziato a lavorare sui semiconduttori più di 60 anni fa, nessuno sapeva che sarebbero diventati centrali per la tecnologia moderna, " disse Tsymbal. "A questo punto, l'elettronica dell'ossido è al livello della ricerca fondamentale, quindi è difficile prevedere dove andranno.

"Ma puoi controllare le interfacce di ossido con estrema precisione. Una volta che lo hai, puoi fare qualcosa di simile a ciò che ottengono i semiconduttori, ma forse anche qualcos'altro."