Un rendering su scala nanometrica di due materiali, grafene (grigio) e ossido di cromo (blu)
Nuovo transistor che potrebbe tagliare del 5% il budget energetico digitale mondiale, risparmiare spazio e conservare la memoria in caso di interruzione di corrente
Una nuova interpretazione di una delle più piccole ma grandiose invenzioni del 20° secolo, il transistor, potrebbe aiutare a nutrire l'appetito sempre crescente del mondo per la memoria digitale, riducendo fino al 5% dell'energia. Dopo anni di innovative ricerche svolte dal dottor Christian Binek (1) dell'University of Nebraska–Lincoln’s e dai colleghi, il dottor Jonathan Bird (2) e il dottor Keke He (3) dell'University at Buffalo’s, i fisici hanno recentemente collaborato per realizzare il primo transistor magneto-elettrico.
Il dottor Peter A. Dowben, (4) fisico presso l'University of Nebraska–Lincoln’s e coautore di un recente articolo pubblicato sulla rivista Advanced Materials, (5) dice: «Oltre a ridurre il consumo di energia di qualsiasi microelettronica che lo incorpori, il design del team potrebbe ridurre il numero di transistor necessari per archiviare determinati dati fino al 75% portando a dispositivi più piccoli. Potrebbe anche prestare quella memoria microelettronica che ricorda esattamente dove i suoi utenti si sono fermati, anche dopo essere stati spenti o aver perso energia bruscamente. Le implicazioni di questa dimostrazione più recente sono profonde».
Molti milioni di transistor rivestono la superficie di ogni moderno circuito integrato, o microchip, la cui produzione raggiunge numeri elevatissimi di esemplari - circa 1 trilione nel solo 2020 - dal materiale semiconduttore preferito del settore, il silicio. Regolando il flusso di corrente elettrica all'interno di un microchip, il minuscolo transistor agisce efficacemente come un interruttore on-off nanoscopico essenziale per scrivere, leggere e archiviare dati come gli 1 e gli 0 della tecnologia digitale.
Ma i microchip a base di silicio si stanno avvicinando ai loro limiti pratici, ha detto Dowben. Questi limiti stimolano l'industria dei semiconduttori nel studiare e finanziare ogni alternativa promettente possibile.
«Il tradizionale circuito integrato sta affrontando alcuni seri problemi», ha affermato Dowben.
Il dottor Charles Edwin Bessey, (6) che fu professore di fisica e astronomia al Nebraska, affermava: «C'è un limite a quanto può diventare più piccolo. Fondamentalmente siamo all'intervallo in cui stiamo parlando di 25 o meno atomi di silicio di larghezza. E generi calore con ogni dispositivo su un circuito integrato, quindi non puoi più portare via abbastanza calore per far funzionare tutto».
Quella situazione incombe anche se la domanda di memoria digitale e l'energia necessaria per soddisfarla sono aumentate vertiginosamente in mezzo all'adozione diffusa di computer, server e Internet. Il microchip-enabled smartening abilitato per microchip di TV, veicoli e altre tecnologie ha solo aumentato questa domanda.
«Stiamo arrivando al punto in cui ci avvicineremo al precedente consumo di energia degli Stati Uniti solo per la memoria (da sola) e non si ferma. Quindi hai bisogno di qualcosa che puoi rimpicciolire, se possibile. Ma soprattutto, hai bisogno di qualcosa che funzioni in modo diverso da un transistor al silicio, in modo da poter ridurre notevolmente il consumo energetico», afferma il dottor Peter A. Dowben.
«Ora che funziona, inizia il divertimento».
I tipici transistor a base di silicio sono costituiti da più terminali. Due di questi, chiamati source e drain, servono come punti di partenza e di arrivo per gli elettroni che fluiscono attraverso un circuito. Sopra quel canale si trova un altro terminale, il gate. L'applicazione della tensione tra il gate e la sorgente può determinare se la corrente elettrica scorre con una resistenza bassa o alta, portando a un accumulo o all'assenza di cariche di elettroni che vengono codificate rispettivamente come 1 o 0. Ma la memoria ad accesso casuale, la forma su cui si basa la maggior parte delle applicazioni per computer, richiede un'alimentazione costante solo per mantenere quegli stati binari.
Quindi, piuttosto che dipendere dalla carica elettrica come base del suo approccio, il team si è rivolto allo spin: una proprietà degli elettroni correlata al magnetismo che punta verso l'alto o verso il basso e può essere letta, come una carica elettrica, come 1 o 0. Il team sapeva che gli elettroni che fluiscono attraverso il grafene, un materiale ultra robusto spesso solo un atomo, possono mantenere i loro orientamenti di spin iniziali per distanze relativamente lunghe, una proprietà interessante per dimostrare il potenziale di un transistor basato su spintronico. In realtà controllare l'orientamento di quegli spin, utilizzando sostanzialmente meno energia di un transistor convenzionale, era una prospettiva molto più impegnativa.
Per farlo, i ricercatori avevano bisogno di ricoprire il grafene con il materiale giusto. Fortunatamente, il dottor Binek aveva già dedicato anni allo studio e alla modifica di un tale materiale, l'ossido di cromo. Fondamentalmente, l'ossido di cromo è magnetoelettrico, il che significa che gli spin degli atomi sulla sua superficie possono essere capovolti dall'alto verso il basso, o viceversa, applicando una piccola quantità di tensione temporanea che assorbe energia.
Quando si applica una tensione positiva, gli spin dell'ossido di cromo sottostante puntano verso l'alto, costringendo infine l'orientamento di rotazione della corrente elettrica del grafene a virare a sinistra e produrre un segnale rilevabile nel processo. La tensione negativa invece ribalta gli spin dell'ossido di cromo verso il basso, con l'orientamento di spin della corrente del grafene che ruota verso destra e genera un segnale chiaramente distinguibile dall'altro.
Il dottor Peter A. Dowben spiega: «Ora stai iniziando a ottenere una fedeltà davvero buona (nel segnale), perché se sei seduto su un lato del dispositivo e hai applicato una tensione, la corrente sta andando in questo modo. Puoi dire che è 'attivo'. Ma, nel momento in cui la corrente scorre verso un'altra parte è chiaramente 'spento'. Questo potenzialmente ti offre un'enorme fedeltà a un costo energetico molto basso. Tutto quello che hai fatto è stato applicare la tensione e si è capovolta.
Per quanto promettente e funzionale sia stata la dimostrazione del team, Dowben ha affermato che esistono molte alternative al grafene che condividono lo spessore di un atomo ma vantano anche proprietà più adatte a un transistor magnetoelettrico. La corsa per sovrapporre l'ossido di cromo con quegli altri candidati 2D è già iniziata, ha detto, e segna «non il qualcosa, ma l'inizio di qualcosa».
«Ora che funziona, inizia il divertimento, perché ognuno avrà il proprio materiale 2D preferito e lo proverà. Alcuni funzioneranno molto, molto meglio, altri no. Ma ora che sai che funziona, vale la pena investire in quegli altri materiali più sofisticati. Ora tutti possono entrare in gioco, capire come rendere il transistor davvero buono e competitivo e, in effetti, superare il silicio».
«Arrivare a quel punto è stato un lungo viaggio lastricato di un numero enorme di progressi», ha detto Dowben, in particolare dal duo di Binek e Bird.
Per il dottor Jonathan Bird «Questo tipo di progetto dimostra quanto possa essere efficace ed esaudiente la ricerca collaborativa combinando la rinomata esperienza nei materiali magnetici del Nebraska con le capacità di Buffalo nei dispositivi semiconduttori su scala nanometrica».
Il dottor Dowben ha raccontato solo alcuni dei progressi essenziali della squadra. C'era la consapevolezza che i materiali magnetoelettrici potevano rivelarsi un approccio praticabile. L'identificazione dell'ossido di cromo. La sua modifica, sia per controllare la sua rotazione con la tensione invece del magnetismo che assorbe energia, ma anche per garantire che funzioni ben al di sopra della temperatura ambiente, perché, come ha detto Dowben, «Se hai intenzione di competere con l'industria dei semiconduttori, non può funzionare solo in Nebraska in inverno. Deve funzionare in Arabia Saudita in estate». Poi c'erano le simulazioni al computer supportate dalla teoria e più prototipi in fase iniziale.
«Non c'è stato nessun momento Edisoniano qui. In un certo senso sai dove stai andando, ma ci vuole un po'», ha detto Dowben. «Ci sono molti problemi tecnici da risolvere, ma a volte i risultati sono assolutamente spettacolari», ha detto, «ed è divertente».
Il team ha ricevuto il sostegno del programma stabilito della National Science Foundation per stimolare la ricerca competitiva, che ha finanziato la collaborazione da 20 milioni di dollari di materiali e tecnologie quantistiche emergenti in Nebraska, e dalla Semiconductor Research Corporation.
Riferimenti:
(1) Christian Binek
(2) Jonathan Bird
(3) Keke He
(4) Peter A. Dowben
(5) Graphene on Chromia: A System for Beyond-Room-Temperature Spintronics
Descrizione foto: Un rendering su scala nanometrica di due materiali, grafene (grigio) e ossido di cromo (blu), che ha permesso ai ricercatori del Nebraska e Buffalo di fabbricare un nuovo tipo di transistor. Le frecce rosse e verdi rappresentano lo spin, una proprietà degli elettroni correlata al magnetismo che può essere letta come 1 o 0. - Credit: Materiali avanzati / John Wiley & Sons, Inc.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New transistor could cut 5% from world’s digital energy budget