Spazio e Scienze

Il microchip senza silicio con elettroni velocissimi

Come possiamo ottenere dispositivi elettronici migliori? Tra le tante possibilità prese al vaglio dai ricercatori, c'è anche quella di realizzare microchip senza silicio. Il solo pensiero è radicale, se si considera che questo materiale, abbondante ed economico, ha di fatto reso possibile la nascita dell'elettronica moderna e degli oggetti che usiamo ogni giorno.

Ma come si fa a fare un chip che non usi il silicio? Per una volta la risposta non è il grafene, ma un inatteso ritorno delle valvole – almeno concettuale. I ricercatori dell'Università di San Diego, infatti, hanno creato un dispositivo microelettronico a controllo laser che sfrutta il fluire di elettroni liberi. Una cosa molto simile, in effetti, a ciò che erano le vecchie valvole.

Il vantaggio di questa soluzione sta in una maggiore velocità degli elettroni stessi, grazie alla quale sarebbe teoricamente possibile ottenere prestazioni maggiori dal chip. Se avere elettroni liberi in un tubo vuoto è relativamente facile, però, le cose si fanno tremendamente complicate se serve avere tanta potenza in poco spazio – ed ecco il grande vantaggio dei chip al silicio.

Con i semiconduttori però gli elettroni non sono affatto liberi: devono muoversi all'interno del materiale, dopo aver ricevuto una notevole "spinta energetica". Visto che ci sono atomi di altri materiali, gli elettroni vanno a sbattere e ne risultato rallentati.

La sfida era quindi avere elettroni liberi in una struttura nanometrica, comparabile a quella di un moderno microchip. La risposta sono i metamateriali: in particolare un "fungo" in oro, abbinato a strisce laterali dello stesso metallo. La struttura sperimentale in effetti poggia su una base di silicio, ma quest'ultimo non è determinante ai fini dell'esperimento.

gold metasurface graphic

"La metasuperficie d'oro è progettata in modo tale che l'applicazione di un basso voltaggio DC (meno di 10 volt) e un laser infrarosso a bassa intensità porta alla generazione di hot spot – punti con un campo elettrico molto intenso – che fornisce abbastanza energia da spingere gli elettroni fuori dal metallo, liberandoli nello spazio".

Così facendo la conduttività del sistema aumenta del 1000%, quindi "più elettroni disponibili per la manipolazione", come spiega Ebrahim Forati, primo firmatario della ricerca. Il cambiamento che a sua volta permette di gestire cambiamenti di stato e realizzare un interruttore ottico. A questo punto si può ottenere un transistor, l'elemento di base, un amplificatore o tutte le altre cose che si possono fare con il silicio.

SEM gold metasurface

"Di certo non sostituirà tutti i dispositivi a semiconduttori, ma potrebbe essere il miglior approccio per certe applicazioni specifiche, come i dispositivi ad alte frequenza o alta potenza", aggiunge il suo collega Dan Sievenpiper.

Si tratta di una ricerca puramente dimostrativa, e siamo ancora piuttosto lontani da una possibile applicazione pratica. Ci dice tuttavia che potremmo superare i limiti del silicio e continuare a realizzare dispositivi elettronici sempre più potenti. I ricercatori stanno esplorando anche altre applicazioni per questa tecnologia, oltre all'elettronica, come la fotochimica, la fotocatalisi o la progettazione di nuovi dispositivi fotovoltaici o applicazioni ambientali.