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Creato in Italia un transistor fatto di materiali superconduttori

I fisici dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nano) di Pisa, con il contributo dell’Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi di Genova (Cnr-Spin) hanno dimostrato che, al contrario di quanto creduto finora, è possibile realizzare transistor basati interamente su materiali superconduttori, anziché su semiconduttori come il silicio. Lo studio è pubblicato sulle riviste Nature Nanotechnology, NanoLetters e Nature Electronics.

Il risultato, oltre a fornire una nuova prospettiva tecnologica, smentisce alcuni assunti della teoria della superconduttività. I ricercatori hanno infatti osservato che è possibile usare un campo elettrico per controllare, abilitando o inibendo, il passaggio di supercorrente in un filo superconduttivo. Questo effetto potrebbe essere sfruttato in dispositivi di nuova concezione come transistor a effetto campo superconduttivi, e nelle tecnologie quantistiche.

“Abbiamo osservato un fenomeno nuovo nei superconduttori”, afferma Francesco Giazotto di Cnr-Nano e Scuola Normale Superiore, che ha guidato la ricerca, “sicuramente rilevante dal punto di vista della fisica fondamentale. Gli esperimenti sembrano infatti contraddire l’assunto per il quale i campi elettrostatici non dovrebbero influenzare un metallo superconduttore”.

Cuore del transistor a supercorrente, in blu il filo in titanio, largo appena 200 nanometri, in turchese i gate (immagine al microscopio elettronico a scansione).

I superconduttori sono materiali capaci di condurre corrente senza dissipare energia, poiché quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica la loro resistenza elettrica diventa nulla. “Secondo la teoria, un campo elettrostatico non ha alcun effetto su un metallo superconduttore, ma ora questa idea è stata smentita dalla scoperta che un campo elettrico intenso può influenzare drasticamente un superconduttore ed essere usato per controllare la supercorrente che lo attraversa fino a ‘spegnere’ completamente la superconduttività, se sufficientemente intenso”, prosegue Giazotto.

Rappresentazione grafica del cuore del transistor con campo elettrico e cariche in movimento.

Per giungere al risultato i ricercatori hanno applicato intensi campi elettrici a transistor superconduttivi costituiti da un film sottile di superconduttore, nello specifico titanio o alluminio, realizzati con tecniche litografiche standard, mentre le delicate misure elettriche a temperature prossime alla zero assoluto sono state effettuate grazie alla speciale strumentazione messa a punto al Cnr-Nano di Pisa e disponibile in pochissimi laboratori nel mondo.

“Dal punto di vista della fisica di base, questi risultati suggeriscono che ci sono aspetti della superconduttività ancora da comprendere e invitano a ripensare alcuni aspetti della teoria che non prevedevano il cosiddetto ‘effetto di campo’ per i superconduttori. Intanto siamo già al lavoro per capire l’origine microscopica dell’effetto che abbiamo osservato”, conclude il ricercatore.

Transistor a supercorrente.

“Per quanto riguarda le applicazioni, questo effetto potrebbe rivoluzionare l’elettronica con dispositivi di nuova concezione, compresi transistor superconduttori interamente metallici, ovvero circuiti con un ridottissimo consumo energetico e riscaldamento, oltre che tecnicamente semplici da realizzare e basati su materiali comuni come titanio e alluminio, economici e scalabili per processi industriali. Potrebbe infine portare a nuove architetture per le tecnologie quantistiche avanzate”.