Fabbricare dispositivi elettronici sempre più piccoli, come i transistor, definendo materiali e strutture atomo per atomo, è possibile grazie a metodi di ingegneria quantistica. Lo dimostra una ricerca pubblicata su Nature Nanotechnology e condotta dal dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa, l’Università di Texas a Dallas e dall’IIT-Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, coinvolti nel progetto europeo Graphene Flagship. La ricerca apre prospettive sul futuro delle tecnologie digitali che potranno essere disegnate atomo per atomo tramite supercomputer in una fabbrica digitale.
Da più di mezzo secolo, l’aumento della potenza dei computer è legato alla miniaturizzazione dei transistor, i dispositivi elementari presenti in ogni circuito elettronico. La miniaturizzazione ha consentito di inserire un numero maggiore di transistor, più veloci ed efficienti, in un singolo circuito e quindi di costruire calcolatori sempre più potenti. Oggi i transistor sono arrivati a dimensioni di poche decine di nanometri. Il nuovo studio dimostra che esiste una tecnica per procedere oltre, usando materiali bidimensionali per ottenere un controllo a livello di singolo atomo e arrivando a dimensioni di pochi nanometri.
Il team italo-statunitense ha delineato le possibili strategie per progettare e realizzare transistor intervenendo direttamente sulla struttura degli atomi attraverso la sovrapposizione di “fogli” di materiali bidimensionali. I materiali bidimensionali sono materiali il cui spessore è dato da pochi atomi, ma hanno una superficie molto ampia, che ha permesso ai ricercatori di creare strutture composite, costituite da fogli di materiali diversi e assemblati lateralmente e verticalmente. Le strutture così ottenute si chiamano eterostrutture, e possono essere verticali, se i materiali sono impilati uno sull’altro, oppure laterali, se gli strati di materiali bidimensionali vengono disposti l’uno accanto all’altro.
“Queste strutture ci permettono di fare una ingegneria quantistica – spiega Giuseppe Iannaccone, professore di elettronica al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa – ovvero di produrre artificialmente materiali e dispositivi completi, le cui proprietà elettroniche e le cui funzioni siano progettate e ottimizzate atomo per atomo”.
Il team ha dimostrato che con i materiali costruiti come eterostrutture laterali è possibile realizzare transistor e processori digitali, con prestazioni che potranno essere sempre più elevate. Tale tecnica potrà sostituire gli attuali metodi di miniaturizzazione dei dispositivi elettronici.
“Le tecnologie di fabbricazione dei materiali bidimensionali hanno fatto progressi notevoli negli ultimi anni, ma siamo ancora all’inizio dell’individuazione dei processi che ci permettono di fare crescere in laboratorio eterostrutture laterali – sottolinea Francesco Bonaccorso, ricercatore dell’IIT-Istituto Italiano di Tecnologia – per questo motivo è estremamente utile esplorare le innumerevoli possibilità con simulazioni su larga scala, in modo da concentrare gli investimenti dove la probabilità di successo è massima”.
Le prestazioni dei nuovi materiali sono stati studiati tramite una sistema di “design” per l’ingegneria quantistica, cioè un sistema di simulazione a computer basato su super calcolatori e sofisticati software, i quali permettono di costruire dispositivi comprendenti migliaia di atomi. Grazie a queste simulazioni i ricercatori possono esplorare le caratteristiche e le potenzialità tecnologiche dei materiali e delle strutture ottenute dalla loro combinazione, realizzando una vera fabbrica virtuale. Una volta individuati i transistor più promettenti, sarà necessario verificare se la loro produzione su larga scala sia un obiettivo raggiungibile su scala industriale.
