Transistor con un solo atomo, nuova frontiera dei computer

Un solo atomo di fosforo per un transistor. A raggiungere questo traguardo sono stati i ricercatori della University of South Wales, Purdue University e University of Melbourne, che stanno "giocando" da tempo ai limiti della scienza. Lo stesso gruppo, a gennaio, aveva sviluppato un filo di fosforo e silicio - con uno spessore di un atomo e una larghezza di quattro - in grado di comportarsi come un filo di rame.

Il nuovo sviluppo, secondo Gerhard Klimeck della Purdue University, fissa un limite invalicabile. "Per me questo è il limite fisico della Legge di Moore. Non possiamo rimpicciolire più di così". Gordon Moore, fondatore di Intel, diceva che il numero di transistor dei microprocessori raddoppia all'incirca ogni 18 mesi. Finora la sua tesi, evoluta nel tempo, è stata grossomodo confermata.

Un transistor formato da un singolo atomo grazie a un microscopio a effetto tunnel che include un singolo atomo rosso di fosforo e guide elettriche per controllare gate ed elettrodi.

Per avere un'unità di confronto, pensate che la CPU Sandy Bridge-E integra 2,3 miliardi di transistor realizzati con processo produttivo a 32 nanometri. Il singolo atomo di fosforo invece ha un'estensione di 0,1 nanometri e in futuro consentirà di ridurre enormemente la dimensione dei processori - anche se passeranno molti anni prima di vedere qualcosa di simile in commercio. Il transistor a singolo atomo che è stato realizzato, infatti, ha una grandissima limitazione: deve essere mantenuto al freddo, a -200 gradi.

"L'atomo è all'interno di un pozzo o canale, e per far sì che operi come transistor gli elettroni devono stare in quel canale", ha dichiarato Klimeck. "Alle alte temperature gli elettroni si muovono di più e fuoriescono dal canale. Per permettere all'atomo di agire come un metallo, dovete mantenere gli elettroni nel canale. Se qualcuno sviluppa una tecnica per contenere gli elettroni, questa potrebbe essere usata per realizzare un computer che potrebbe funzionare a temperatura ambiente".

 L'atomo è al centro, all'interno di un canale di silicio policristallino

L'atomo è al centro dell'immagine, all'interno di un canale di cristallo di silicio monocristallino. Il transistor e i collegamenti potrebbero consentire ai ricercatori di controllare qubit di informazione nei futuri computer quantistici.

Per manipolare gli atomi su una superficie di un cristallo di silicio, i ricercatori  hanno usato un microscopio a effetto tunnel. Poi, tramite un processo litografico,  hanno adagiato l'atomo di fosforo sul substrato di silicio. Anche in passato sono stati osservati singoli atomi che funzionavano come transistor, ma è la prima volta che un transistor a singolo atomo è stato progettato in modo controllabile con precisione atomica. La struttura dispone anche d'indicatori che permettono agli scienziati di collegare contatti e applicare una tensione.

Il team dell'University of New South Wales spera che questo metodo di manipolazione su scala atomica possa gettare le basi per i computer quantistici, sistemi che usano gli effetti della meccanica quantistica, nello specifico il momento angolare degli elettroni attorno all'atomo per rappresentare l'informazione digitale.

"Anche se questo risultato è una pietra miliare per il quantum computing basato sul silicio, non risponde alla domanda se il calcolo quantistico sia possibile oppure no", ha dichiarato Michelle Simmons, della University of South Wales. "La risposta sta nel controllo della coerenza quantistica mediante un gran numero di qubit. La tecnica che abbiamo sviluppato è potenzialmente scalabile, usa gli stessi materiali dell'industria del silicio, ma occorre molto tempo per centrare l'obiettivo".