Un team internazionale di ricercatori della Queen Mary University di Londra, dell’Università di Oxford, della Lancaster University e dell’Università di Waterloo ha sviluppato un nuovo transistor a molecola singola che utilizza l’interferenza quantistica per controllare il flusso di elettroni. Il transistor, descritto in un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology , apre nuove possibilità per l'utilizzo degli effetti quantistici nei dispositivi elettronici.
I transistor sono gli elementi costitutivi di base dell'elettronica moderna. Vengono utilizzati per amplificare e commutare i segnali elettrici e sono essenziali per qualsiasi cosa, dagli smartphone alle astronavi. Tuttavia, il metodo tradizionale di realizzazione dei transistor, che prevede l'incisione del silicio in minuscoli canali, sta raggiungendo i suoi limiti.
Man mano che i transistor diventano più piccoli, diventano sempre più inefficienti e suscettibili a errori, poiché gli elettroni possono fuoriuscire attraverso il dispositivo anche quando dovrebbe essere spento, mediante un processo noto come tunneling quantistico. I ricercatori stanno esplorando nuovi tipi di meccanismi di commutazione che possono essere utilizzati con diversi materiali per rimuovere questo effetto.
Nelle strutture su scala nanometrica studiate dal professor Jan Mol e dal dottor James Thomas e dal loro gruppo di studio presso la Queen Mary's School of Physical and Chemical Sciences, dominano gli effetti della meccanica quantistica e gli elettroni si comportano come onde piuttosto che come particelle. Sfruttando questi effetti quantistici, i ricercatori hanno costruito un nuovo transistor.
Il canale conduttivo del transistor è una singola porfirina di zinco, una molecola in grado di condurre elettricità. La porfirina è inserita tra due elettrodi di grafene e, quando viene applicata una tensione agli elettrodi, il flusso di elettroni attraverso la molecola può essere controllato utilizzando l'interferenza quantistica.
L'interferenza è un fenomeno che si verifica quando due onde interagiscono tra loro e si annullano a vicenda (interferenza distruttiva) o si rinforzano a vicenda (interferenza costruttiva). Nel caso del nuovo transistor, i ricercatori hanno acceso e spento il transistor controllando se gli elettroni interferiscono in modo costruttivo (acceso) o distruttivo (spento) mentre fluiscono attraverso la molecola di porfirina di zinco.
I ricercatori hanno scoperto che il nuovo transistor ha un rapporto on/off molto elevato, il che significa che può essere acceso e spento in modo molto preciso. L'interferenza quantistica distruttiva gioca un ruolo cruciale in questo, eliminando il flusso di elettroni che perde dal tunneling quantistico attraverso il transistor quando dovrebbe essere spento.
Hanno anche scoperto che il transistor è molto stabile. I precedenti transistor costituiti da una singola molecola erano in grado di dimostrare solo una manciata di cicli di commutazione. Tuttavia, questo dispositivo può essere utilizzato per centinaia di migliaia di cicli senza rompersi.
"L'interferenza quantistica è un fenomeno potente che ha il potenziale per essere utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni elettroniche", ha affermato l'autore principale, il dottor James Thomas, docente di tecnologie quantistiche alla Queen Mary. "Crediamo che il nostro lavoro rappresenti un passo significativo verso la realizzazione di questo potenziale."
"I nostri risultati mostrano che l'interferenza quantistica può essere utilizzata per controllare il flusso di elettroni nei transistor e che ciò può essere fatto in un modo efficiente e affidabile", ha affermato il coautore, il professor Jan Mol. "Ciò potrebbe portare allo sviluppo di nuovi tipi di transistor che sono più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai dispositivi attuali."
I ricercatori hanno anche scoperto che gli effetti dell'interferenza quantistica potrebbero essere utilizzati per migliorare l'oscillazione sottosoglia del transistor, che è una misura della sensibilità del transistor ai cambiamenti nella tensione di gate. Più bassa è l'oscillazione della sottosoglia, più efficiente è il transistor.
I transistor dei ricercatori avevano un'oscillazione sottosoglia di 140 mV/dec, che è migliore delle oscillazioni sottosoglia riportate per altri transistor a singola molecola e paragonabile a dispositivi più grandi realizzati con materiali come i nanotubi di carbonio.
La ricerca è ancora nelle fasi iniziali, ma i ricercatori sono ottimisti sul fatto che il nuovo transistor possa essere utilizzato per creare una nuova generazione di dispositivi elettronici. Questi dispositivi potrebbero essere utilizzati in una varietà di applicazioni, a partire dai computer e dagli smartphone fino ai dispositivi medici.
Ulteriori informazioni: Zhixin Chen et al, L'interferenza quantistica migliora le prestazioni dei transistor a molecola singola, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01633-1
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito da Queen Mary, Università di Londra
