I ricercatori dell'Università di Tel Aviv hanno progettato la tecnologia più piccola del mondo, con uno spessore di soli due atomi. Secondo i ricercatori, la nuova tecnologia propone un modo per memorizzare le informazioni elettriche nell'unità più sottile nota alla scienza, in uno dei materiali più stabili ed inerti in natura. Il tunneling di elettroni quantomeccanico consentito attraverso il film atomicamente sottile può aumentare il processo di lettura delle informazioni molto oltre le attuali tecnologie.

La ricerca è stata condotta da scienziati della Raymond and Beverly Sackler School of Physics and Astronomy e della Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry. Il gruppo comprende Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, Dott. Wei Cao, Dott. Iftach Nevo, Prof. Eran Sela, Prof. Michael Urbakh, Prof. Oded Hod, e il dottor Moshe Ben Shalom. L'opera è ora pubblicata in Scienza rivista.

"La nostra ricerca nasce dalla curiosità sul comportamento di atomi ed elettroni nei materiali solidi, che ha generato molte delle tecnologie che supportano il nostro stile di vita moderno, " dice il dottor Shalom. "Noi (e molti altri scienziati) cerchiamo di capire, prevedere, e persino controllare le affascinanti proprietà di queste particelle mentre si condensano in una struttura ordinata che chiamiamo cristallo. Nel cuore del computer, Per esempio, si trova un minuscolo dispositivo cristallino progettato per passare da uno stato all'altro indicando risposte diverse:"sì" o "no, " 'su' o 'giù' ecc. Senza questa dicotomia, non è possibile codificare ed elaborare le informazioni. La sfida pratica è trovare un meccanismo che permetta la commutazione in un piccolo, veloce, e dispositivo poco costoso."

Gli attuali dispositivi all'avanguardia sono costituiti da minuscoli cristalli che contengono solo circa un milione di atomi (circa un centinaio di atomi di altezza, larghezza, e spessore) in modo che un milione di questi dispositivi possa essere schiacciato circa un milione di volte nell'area di una moneta, con ogni dispositivo che cambia a una velocità di circa un milione di volte al secondo.

Dopo la svolta tecnologica, i ricercatori hanno potuto, per la prima volta, ridurre lo spessore dei dispositivi cristallini a soli due atomi. Il dott. Shalom sottolinea che una struttura così sottile consente ai ricordi basati sulla capacità quantistica degli elettroni di saltare rapidamente ed efficacemente attraverso barriere dello spessore di pochi atomi. Così, può migliorare significativamente i dispositivi elettronici in termini di velocità, densità, e consumo di energia.

Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato un materiale bidimensionale:strati di boro e azoto dello spessore di un atomo, disposti in una struttura esagonale ripetitiva. Nel loro esperimento, sono stati in grado di rompere la simmetria di questo cristallo assemblando artificialmente due di questi strati. "Nel suo stato tridimensionale naturale, questo materiale è costituito da un gran numero di strati posti uno sopra l'altro, con ogni strato ruotato di 180 gradi rispetto ai suoi vicini (configurazione antiparallela)", afferma il dott. Shalom. "In laboratorio, siamo stati in grado di impilare artificialmente gli strati in una configurazione parallela senza rotazione, che ipoteticamente pone atomi dello stesso tipo in perfetta sovrapposizione nonostante la forte forza repulsiva tra di loro (derivante dalle loro cariche identiche). In realtà, però, il cristallo preferisce far scorrere leggermente uno strato rispetto all'altro, in modo che solo la metà degli atomi di ogni strato siano in perfetta sovrapposizione, e quelli che si sovrappongono sono di cariche opposte, mentre tutti gli altri si trovano sopra o sotto uno spazio vuoto, il centro dell'esagono. In questa configurazione di impilamento artificiale gli strati sono abbastanza distinti l'uno dall'altro. Per esempio, se nello strato superiore solo gli atomi di boro si sovrappongono, nello strato inferiore è il contrario."

Il Dr. Shalom mette in evidenza anche il lavoro del team di teoria, che ha condotto numerose simulazioni al computer "Insieme abbiamo stabilito una profonda comprensione del perché gli elettroni del sistema si dispongono proprio come avevamo misurato in laboratorio. Grazie a questa fondamentale comprensione, ci aspettiamo risposte affascinanti anche in altri sistemi a strati rotti dalla simmetria, " lui dice.

Maayan Wizner Stern, il dottorato studente che ha condotto lo studio, spiega che "la rottura della simmetria che abbiamo creato in laboratorio, che non esiste nel cristallo naturale, costringe la carica elettrica a riorganizzarsi tra gli strati e genera una minuscola polarizzazione elettrica interna perpendicolare al piano dello strato. Quando applichiamo un campo elettrico esterno nella direzione opposta, il sistema scorre lateralmente per cambiare l'orientamento di polarizzazione. La polarizzazione commutata rimane stabile anche quando il campo esterno è disattivato. In questo il sistema è simile ai sistemi ferroelettrici tridimensionali spessi, che sono ampiamente utilizzati nella tecnologia oggi."

"La capacità di forzare una disposizione cristallina ed elettronica in un sistema così sottile, con proprietà uniche di polarizzazione e inversione risultanti dalle deboli forze di Van der Waals tra gli strati, non è limitato al cristallo di boro e azoto, " aggiunge il dottor Shalom. "Ci aspettiamo gli stessi comportamenti in molti cristalli stratificati con le giuste proprietà di simmetria. Il concetto di scorrimento intercalare come modo originale ed efficiente per controllare dispositivi elettronici avanzati è molto promettente, e l'abbiamo chiamato Slide-Tronics."

Stern conclude che "sono entusiasti di scoprire cosa può succedere in altri stati che imponiamo alla natura e prevediamo che altre strutture che accoppiano ulteriori gradi di libertà sono possibili. Speriamo che la miniaturizzazione e lo scorrimento miglioreranno i dispositivi elettronici di oggi, ed inoltre, consentire altri modi originali di controllare le informazioni nei dispositivi futuri. Oltre ai dispositivi informatici, ci aspettiamo che questa tecnologia contribuirà ai rilevatori, stoccaggio e conversione dell'energia, interazione con la luce, ecc. La nostra sfida, come lo vediamo, è scoprire più cristalli con nuovi e scivolosi gradi di libertà."