Nuovi materiali per il computer del futuro

Milan Radovic è ricercatore presso la beamline SIS (Spettroscopia di Interfacce e Superfici) della Sincrotrone Light Source Svizzera (SLS). Ha studiato Fisica Applicata all'Università di Belgrado, Serbia, dove ha anche iniziato la sua carriera di ricerca presso il Dipartimento di Fisica Atomica. Nel 2009 ha conseguito il dottorato di ricerca presso l'Università di Napoli, Italia. Nel 2003 è stato invitato a ricoprire un incarico congiunto presso l'EPFL di Losanna e il PSI, dove è ricercatore dal 2013. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Milan Radovic ed Eduardo Bonini Guedes (a destra) dal gruppo di Spettroscopia dei Materiali Quantistici alla linea di fascio SIS della Sorgente di Luce Synchrotron Svizzera SLS. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Milan Radovic e Eduardo Bonini Guedes del gruppo di Spettroscopia dei Materiali Quantistici alla linea di fascio SIS della Sorgente di Luce Synchrotron Svizzera SLS. (Foto: Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic)

Nuovi materiali potrebbero rivoluzionare la tecnologia dei computer. Ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno raggiunto un importante traguardo nelle indagini condotte con la sorgente di luce sincrotrone Svizzera SLS.

Le microchip sono composti da silicio e funzionano secondo il principio fisico del semiconduttore. Nulla è cambiato da quando, nel 1947, ai Bell Labs americani, fu inventato il transistor. Ricercatori hanno ripetutamente previsto la fine dell'era del silicio – e si sono sbagliati. La tecnologia al silicio è viva, si sviluppa rapidamente. Proprio ora, il colosso informatico IBM ha presentato il primo microprocessore in cui le strutture dei transistor sono di soli due nanometri, equivalenti a 20 atomi affiancati. Cosa verrà dopo? Strutture ancora più piccole? Probabilmente sì – almeno per questo decennio.

Parallelamente, nei laboratori di ricerca si stanno delineando idee per una nuova tecnologia che potrebbe capovolgere tutto ciò che finora abbiamo creduto di sapere sulla microelettronica. Uno degli esempi più promettenti proviene dal team di Milan Radovic. Oggi, Milan Radovic dell'Istituto Paul Scherrer ha presentato su Communication Physics un risultato di ricerca rivoluzionario sui ossidi trasparenti (TO), che potrebbe spalancare le porte a questa nuova tecnologia.

Nuovi microchip

Radovic e i suoi collaboratori Muntaser Naamneh e Eduardo Guedes, insieme al gruppo di Bharat Jalan dell'Università del Minnesota, USA, lavorano non con il silicio, ma con ossidi di metalli di transizione (TMO). Mostrano fenomeni eccezionali e multifunzionali come la superconduttività ad alta temperatura, l'enorme effetto magnetoresistivo, il transito tra metallo e isolante e molto altro. Ciò che può sembrare inizialmente confuso ai non addetti ai lavori promette enormi progressi per la tecnologia dei chip del futuro.

Nella loro pubblicazione attuale, gli studiosi si concentrano sull'ossido di bario-stagno (BaSnO3), che combina trasparenza ottica con alta conducibilità elettrica.

Da tempo, i ricercatori cercano di estrarre proprietà simili a quelle dei semiconduttori dagli ossidi di metalli di transizione e da ossidi trasparenti come BaSnO3 e SrSnO3. Rispetto al silicio, ciò offrirebbe vantaggi rivoluzionari per gli elementi optoelettronici: con questi ossidi trasparenti e conduttivi, chiamati perovskiti, sarebbe possibile realizzare dispositivi di commutazione in cui le proprietà elettroniche sono direttamente collegate a quelle ottiche. Si potrebbero quindi creare transistor che si accendono e spengono con la luce.

La conoscenza degli strati di confine è fondamentale

Tutti i microchip sono costituiti da combinazioni di materiali diversi. Per il loro funzionamento, è importante sapere cosa accade negli strati sottili di confine tra questi materiali. Sulla superficie di alcuni materiali, infatti, si manifestano proprietà fisiche completamente diverse rispetto al loro interno. In effetti, alle interfacce tra materiali possono formarsi fasi esotiche della materia – una scoperta che ha valso ai tre fisici britannici il premio Nobel per la fisica nel 2016. Il contributo ora pubblicato descrive significativi progressi nella comprensione delle proprietà elettroniche della superficie di BaSnO3.

Per farlo, è stata utilizzata la spettroscopia di fotoemissione angolo-resolutiva su una linea di raggi della sorgente di luce sincrotrone Svizzera SLS, «per scoprire lo stato elettronico bidimensionale di BaSnO3, che apre nuove prospettive per questa classe di materiali», sottolinea Eduardo Guedes.

Condizioni ottimali per la spettroscopia alla SLS

Il fatto che questo risultato sia stato raggiunto proprio al PSI non è un caso. Gli scienziati del PSI dispongono di un laboratorio specializzato nella produzione, modifica e analisi di film sottili. Inoltre, il PSI, con la sua SLS, offre le migliori condizioni per analizzare materiali con elevata risoluzione spaziale e temporale. Questi metodi spettroscopici sono una specialità del centro di ricerca svizzero. Nel mondo, esistono solo tre luoghi in cui tutte queste condizioni sono soddisfatte contemporaneamente. È inoltre necessario possedere le conoscenze adeguate e un'infrastruttura di ricerca potente. «Al PSI creiamo e uniamo comprensione e capacità sperimentali», afferma Radovic. Gli scienziati vogliono ora scoprire quali altri materiali mostrano proprietà simili e potrebbero essere candidati per i microchip ottici del futuro.

La tecnologia al silicio, tuttavia, non appartiene al passato, sottolinea Milan Radovic. È altamente sviluppata e performante. «Ma la tecnologia basata sugli ossidi di metalli di transizione è più potente e versatile – il suo tempo arriverà.»