La scoperta di un effetto fisico senza precedenti in un nuovo materiale artificiale segna una pietra miliare significativa nel lungo processo di sviluppo di materiali "su ordinazione" e di un'elettronica più efficiente dal punto di vista energetico.

L'elettronica di oggi a base di silicio consuma una quota sostanziale e sempre crescente dell'energia mondiale. Numerosi ricercatori stanno esplorando le proprietà di materiali più complessi del silicio ma promettenti per i dispositivi elettronici di domani e meno affamati di elettricità. In linea con questo approccio, scienziati dell'Università di Ginevra (UNIGE) hanno lavorato in collaborazione con il Politecnico federale di Losanna (EPFL), l'Università di Zurigo, il Flatiron Institute di New York e l'Università di Liegi. Gli scienziati hanno scoperto un fenomeno fisico finora sconosciuto in un materiale artificiale costituito da strati molto sottili di nichelati. Questo potrebbe essere sfruttato per controllare accuratamente alcune delle proprietà elettroniche del materiale, come l'improvviso passaggio da uno stato conduttivo a uno isolante. Potrebbe anche essere utilizzato per sviluppare nuovi, dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico. Puoi leggere di questo progresso tecnologico sulla rivista Materiali della natura .

"I nickellati sono noti per una caratteristica speciale:passano improvvisamente da uno stato isolante a quello di un conduttore elettrico quando la loro temperatura sale oltre una certa soglia, " esordisce Jean-Marc Triscone, professore presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. "Questa temperatura di transizione varia in base alla composizione del materiale".

I nichel sono formati da un ossido di nichel con l'aggiunta di un atomo appartenente alle cosiddette "terre rare" (ovvero un insieme di 17 elementi della tavola periodica). Quando questa terra rara è samario (Sm), Per esempio, il salto metallo-isolante avviene a circa 130°C, mentre se è neodimio (Nd), la soglia scende a -73°C. Questa differenza è spiegata dal fatto che quando Sm è sostituito da Nd, la struttura cristallina del composto è deformata ed è questa deformazione che controlla il valore della temperatura di transizione.

Nel tentativo di saperne di più su questi materiali, gli scienziati con sede a Ginevra hanno studiato campioni costituiti da strati ripetuti di nichelato di samario depositati su strati di nichelato di neodimio, una sorta di "super sandwich" in cui tutti gli atomi sono perfettamente disposti.

Comportarsi come un unico materiale

Claribel Dominguez, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica e primo autore dell'articolo, spiega:"Quando gli strati sono piuttosto spessi, si comportano in modo indipendente, con ognuno che mantiene la propria temperatura di transizione. Abbastanza stranamente, quando abbiamo affinato gli strati finché ognuno non era più grande di otto atomi, l'intero campione ha iniziato a comportarsi come un unico materiale, con un solo grande salto di conduttività a una temperatura di transizione intermedia."

Un'analisi molto dettagliata eseguita al microscopio elettronico all'EPFL, supportata da sofisticati sviluppi teorici intrapresi da colleghi americani e belgi, ha mostrato che la propagazione delle deformazioni nella struttura cristallina alle interfacce tra i materiali avviene solo in due o tre strati atomici . Di conseguenza, non è questa distorsione che spiega il fenomeno osservato. In realtà, è come se gli strati più lontani sapessero in qualche modo di essere molto vicini all'interfaccia ma senza essere fisicamente deformati.

Non è magia

"Non c'è niente di magico in questo, "dice Jennifer Fowlie, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica e coautore dell'articolo. "Il nostro studio mostra che mantenendo un'interfaccia tra una regione conduttiva e una regione isolante, come nel caso dei nostri campioni, è molto costoso in termini di energia. Così, quando i due strati saranno abbastanza sottili, sono in grado di adottare comportamenti molto meno energivori, che consiste nel diventare un unico materiale, o totalmente metallico o totalmente isolante, e con una temperatura di transizione comune. E tutto questo avviene senza che la struttura cristallina venga modificata. Questo effetto, o accoppiamento, è senza precedenti".

Questa scoperta è stata resa possibile grazie al sostegno fornito dal Fondo nazionale svizzero per la scienza e dal Q-MAC ERC Synergy Grant (Frontiers in Quantum Materials' Control). Fornisce un nuovo modo di controllare le proprietà delle strutture elettroniche artificiali, quale, in questo caso, è il salto di conducibilità ottenuto dai ricercatori ginevrini nel loro composito nichelato, che rappresenta un importante passo avanti per lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici. I nichel possono essere utilizzati in applicazioni come i transistor piezoelettrici (che reagiscono alla pressione).

Più generalmente, il lavoro di Ginevra si inserisce in una strategia per la produzione di materiali artificiali "by design, " ovvero con immobili che rispondono ad una specifica esigenza. Questo percorso, che è seguito da molti ricercatori in tutto il mondo, mantiene la promessa per l'elettronica futura ad alta efficienza energetica.