Il concorrente del grafene è tridimensionale e naturale

Ricercatori del Berkeley Lab hanno trovato una nuova forma della materia quantistica che potrebbe risultare molto utile nel settore elettronico.

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a cura di Manolo De Agostini

Esiste una controparte naturale e tridimensionale del grafene, il materiale delle meraviglie spesso quanto un atomo con incredibili proprietà elettriche e fisiche candidato a prendere il posto del silicio in futuro. Secondo il sito del Berkeley Lab, "questa scoperta spiana la strada a novità per l'industria hi-tech, inclusi transistor più veloci e hard disk molto più compatti". Un gruppo di ricercatori, capitanati dal fisico Yulin Chen, ha infatti scoperto che il bismutato di sodio può esistere come una forma della materia quantistica chiamata 3DTDS, che sta per "three-dimensional topological Dirac semi-metal".

È la prima volta che, tramite un esperimento, si conferma la presenza di fermioni di Dirac tridimensionali all'interno o nella massa di un materiale. "Un 3DTDS è la naturale controparte tridimensionale del grafene con una mobilità e velocità degli elettroni simile o persino superiore", ha affermato Yulin Chen.

Grafene

"A causa dei fermioni di Dirac 3D nella propria massa, un 3DTDS è contraddistinto anche da un'intrigante magnetoresistenza lineare non saturante che può essere di diversi ordini di grandezza superiore rispetto ai materiali che oggi usiamo negli hard disk. Questa particolarità apre le porte anche a sensori ottici più efficienti". A portare i ricercatori verso questo esperimento è stato il rapido sviluppo del grafene e degli isolanti topologici.

"Ci hanno portato a chiederci se vi fossero controparti 3D e altri materiali con topologia insolita nella loro struttura elettronica", ha affermato Chen. "La nostra scoperta risponde a entrambe le domande. Nel bismutato di sodio che abbiamo studiato la conduzione e le bande di valenza toccano solo in punti distinti, dispersi linearmente lungo tutte e tre le direzioni di moto per formare fermioni di Dirac 3D. Inoltre la topologia di una struttura elettronica 3DTDS è unica come quella degli isolanti topologici".

Insomma, i sistemi 3DTDS hanno la proprietà unica di funzionare come conduttore e isolante allo stesso tempo, con gli elettroni bulk che si comportano come se fossero in un isolante e quelli di superfice che agiscono come quelli nel grafene.

3DTDS, realizzato nel punto critico della fase di transizione tra normale isolante a isolante topologico. I simboli + e – le differenti parità delle bande di energia.

Il bismutato di sodio è troppo instabile per essere usato nei dispositivi senza un corretto packaging, ma questo lavoro dà ufficialmente il via alle ricerche per sviluppare altri materiali 3DTDS più adatti per dispositivi d'uso quotidiano.

"Un sistema 3DTDS sarebbe in grado di fornire un grande miglioramento dell'efficienza rispetto al grafene in molte applicazioni grazie al proprio volume tridimensionale", ha affermato Chen. "Inoltre, preparare sottili pellicole di grafene di grandezza atomica comporta ancora delle sfide. Potrebbe diventare più semplice realizzare dispositivi simili al grafene grazie ai sistemi 3DTDS".

Secondo il ricercatore la ricerca apre le porte anche allo studio di nuove proprietà fisiche utili alle future tecnologie elettroniche. Infine, si parla inoltre di spintronica, una scienza che sancisce il connubio tra l'elettronica e il magnetismo, permettendo allo spin dell'elettrone farsi portatore di codice binario.