Piccolo, resistente al freddo, intelligente

Il professor Daniel Hiller nel locale tecnico sotto il laboratorio centrale di camere bianche.

Per i data center di intelligenza artificiale o i computer quantistici, i nano-transistor devono diventare sempre più piccoli, più raffreddabili e più efficienti. Come potranno essere prodotti in futuro con nanoreti e fisica quantistica, spiega il professor Daniel Hiller in un'intervista. Come professore Heisenberg finanziato dalla DFG, svolge ricerche e insegna dal 2021 presso l'Istituto di Fisica Applicata della TU Bergakademie Freiberg. Dopo una valutazione positiva, Hiller è stato ufficialmente nominato professore di Fisica dei Materiali Quantistici a partire dal 1° agosto 2026. 

Ne abbiamo bisogno per il fotovoltaico, i transistor per i microchip, i LED, i sensori di immagine o i rivelatori di radiazioni. Ma cosa sono esattamente i semiconduttori?

I semiconduttori si chiamano così perché la loro conducibilità elettrica si colloca tra quella degli isolanti, come il vetro, e quella dei conduttori, come i metalli. È particolarmente importante che la conducibilità dei semiconduttori possa essere influenzata in modo mirato – un vantaggio decisivo per applicazioni nel fotovoltaico e nella microelettronica. La fisica può influenzare le proprietà dei materiali semiconduttori attraverso modifiche mirate alla loro maglia cristallina atomica; questo lo chiamiamo drogaggio per impurità.

Nel processo di drogaggio dei materiali semiconduttori vengono introdotti o "rimossi" elettroni. Solo un elettrone libero, non vincolato nella struttura cristallina, può trasportare corrente. Per il silicio, ad esempio, i droganti convenzionali possono essere fosforo, arsenico o boro.

Per nuove applicazioni – in particolare nei computer quantistici – i microchip devono diventare sempre più piccoli, più raffreddabili e più efficienti, giusto?

Esattamente. La richiesta è di ridurre il volume dei transistor sui microchip, migliorando al contempo le prestazioni e riducendo il consumo energetico! Da circa dieci anni, i transistor prodotti con il drogaggio convenzionale non possono più essere miniaturizzati. Le loro dimensioni fisiche caratteristiche si stabilizzano tra 15 e 20 nanometri.

Un'altra sfida sono i computer quantistici, che devono operare spesso vicino al punto di temperatura assoluta di -273,15 gradi Celsius, per mantenere stabili i qubit. I qubit sono l'unità di informazione fondamentale usata per codificare i dati nel calcolo quantistico. Per scambiare dati con un computer quantistico, si continuerà a usare l'elettronica tradizionale – che però non è progettata per funzionare a queste temperature. Poiché i portatori di carica liberi, derivanti dal drogaggio convenzionale del semiconduttore, si congelano a queste temperature, si perde il controllo sulla conducibilità.

Quali soluzioni offre la meccanica quantistica per queste nuove esigenze?

Qui entra in gioco il drogaggio di modulazione che abbiamo studiato. In parole semplici, gli atomi di drogaggio non vengono inseriti direttamente nel silicio, ma in sottilissimi strati di biossido di silicio sulla loro superficie. Per realizzare un trasferimento di carica nonostante le proprietà isolanti di questi strati, utilizziamo nanoreti e il cosiddetto tunneling quantistico. Poiché in questo processo la struttura cristallina del semiconduttore rimane invariata, si mantiene la mobilità dei portatori di carica, il che è vantaggioso per l’efficienza energetica dei componenti. Inoltre, la conducibilità rimane stabile anche a temperature estreme.

In collaborazione con vari partner, abbiamo già testato con successo alcuni transistor a drogaggio di modulazione. Tuttavia, c’è ancora un grande bisogno di ricerca e sviluppo per realizzare transistor ultramini con drogaggio di modulazione ottimizzato.

Quanto è "ultramini" questo per questo scopo?

Se si riuscisse a raggiungere lunghezze di transistor inferiori a 10 nanometri, si aprirebbero possibilità completamente nuove per l’efficienza energetica del calcolo. Per confronto: un capello umano medio ha uno spessore di circa 0,1 millimetri, cioè circa 10.000 volte più spesso.

I nuovi processi di drogaggio di modulazione vengono eseguiti nel Laboratorio di Fisica delle Sorgenti di Pulizia Centrale della TU Bergakademie Freiberg. Cosa rende così interessante lavorarci?

Lavoro personalmente almeno una volta alla settimana nel laboratorio di pulizia sulla drogaggio di modulazione, utilizzando diversi materiali sottili, e accompagno studenti e ricercatori in dottorato. Mentre, insieme a un collega a Canberra, in Australia, calcoliamo e modelliamo molto affidabilmente le proprietà delle nuove funzionalizzazioni delle superfici dei semiconduttori tramite simulazioni al computer, abbiamo bisogno dell’esperimento per verificare le previsioni. Nel laboratorio di pulizia, costruiamo i materiali seguendo la “ricetta” calcolata e poi misuriamo la conducibilità o la concentrazione di portatori di carica. Successivamente, traiamo conclusioni su cosa sia realmente successo nel materiale – e utilizziamo queste scoperte per lo sviluppo continuo dei processi.

Per la produzione di nano-transistor ultramini, la fisica applicata riceverà presto un dispositivo speciale: un sistema di litografia a fascio di elettroni. Il lavoro sui nuovi materiali diventerà sicuramente ancora più interessante!