Il nuovo transistor che potrebbe ridurre del 5% il consumo energetico digitale mondiale

Non solo grafene. Può far risparmiare spazio e conservare la memoria anche in caso di interruzione di corrente

[12 Aprile 2022]

Lo studio “Graphene on Chromia: A System for Beyond-Room-Temperature Spintronics”, pubblicato recentemente su  Advanced Materials da un team di ricercatori della State University di New York – Buffalo e dell’università del Nebraska – Lincoln. Presenta una nuova interpretazione di una delle più piccole ma grandiose invenzioni del XX secolo: il transistor, evidenziando che «Potrebbe aiutare a nutrire l’appetito sempre crescente del mondo per la memoria digitale, riducendo fino al 5% dell’energia dalla sua dieta assetata di energia».

Dopo anni di innovazioni attuate distintamente da Christian Binek dell’università del Nebraska – Lincoln e da Jonathan Bird e Keke He dell’università di Buffalo, i fisici statunitensi  hanno iniziato a collaborato per realizzare il primo transistor magneto-elettrico e ora uno degli autori dello studio, Peter Dowben dell’università del Nebraska dice che «Oltre a ridurre il consumo di energia di qualsiasi microelettronica che lo incorpori, il progetto del team potrebbe ridurre fino al 75%, il numero di transistor necessari per archiviare determinati dati, portando a dispositivi più piccoli. Potrebbe anche prestare quella trappola d’acciaio alla memoria microelettronica pder ricordare esattamente dove i suoi utenti si sono fermati, anche dopo essere andati in shut down o aver perso improvvisamente energia. Le implicazioni di questa dimostrazione più recente sono profonde».

Molti milioni di transistor rivestono la superficie di ogni moderno circuito integrato, o microchip, dei quali nel 2020 ne è stato prodotto circa un trilione con il materiale semiconduttore preferito dall’industria: il silicio. I ricercatori evidenziano che «Regolando il flusso di corrente elettrica all’interno di un microchip, il minuscolo transistor agisce efficacemente come un interruttore on-off nanoscopico essenziale per scrivere, leggere e archiviare dati come gli 1 e gli 0 della tecnologia digitale».

Ma Dowben fa notare che «I microchip a base di silicio si stanno avvicinando ai loro limiti pratici. Questi limiti vengono indagati dall’industria dei semiconduttori che sta studiando e finanziando ogni possibile alternativa promettente. Il tradizionale circuito integrato sta andando incontro ad alcuni seri problemi. C’è un limite a quanto può diventare più piccolo. Fondamentalmente siamo nell’intervallo in cui stiamo parlando di 25 atomi di silicio di larghezza o meno. E si produce calore con ogni dispositivo su un (circuito integrato), quindi non si può più portare via abbastanza calore per far funzionare tutto».

Intanto la richiesta di memoria digitale e l’energia necessaria per soddisfarla sono aumentate vertiginosamente con l’utilizzo sempre più diffuso di computer, server e Internet.< e lo smartening abilitato per microchip di TV, veicoli e altre tecnologie ha solo aumentato questa domanda.

Dowben  fa notare che «Stiamo arrivando al punto in cui ci avvicineremo al precedente consumo di energia degli Stati Uniti solo per la sola memoria. E non si fermerà. Quindi abbiamo bisogno di qualcosa che possa essere rimpicciolito, se possibile. Ma soprattutto, abbiamo bisogno di qualcosa che funzioni in modo diverso da un transistor al silicio, in modo da poter ridurre notevolmente il consumo energetico».

All’università del Nebraska spiegano che «I normali transistor a base di silicio sono costituiti da più terminali. Due di questi, chiamati source e drain, servono come punti di partenza e di arrivo per gli elettroni che fluiscono attraverso un circuito. Sopra quel canale si trova un altro terminale, il gate. L’applicazione della tensione tra il gate e la sorgente può determinare se la corrente elettrica scorre con una resistenza bassa o alta, portando a un accumulo o all’assenza di cariche di elettroni che vengono codificate rispettivamente come 1 o 0. Ma la memoria ad accesso casuale, la forma su cui si basa la maggior parte delle applicazioni per computer, richiede un’alimentazione costante solo per mantenere quegli stati binari». Quindi, invece che basarsi sulla carica elettrica come base del suo approccio, il team di ricercatori si è rivolto allo spin: «Una proprietà degli elettroni correlata al magnetismo che punta verso l’alto o verso il basso e può essere letta, come una carica elettrica, come 1 o 0».

Gli scienziati statunitensi sapevano che «Gli elettroni che fluiscono attraverso il grafene, un materiale ultra robusto spesso solo un atomo, possono mantenere i loro orientamenti di spin iniziali per distanze relativamente lunghe, una proprietà interessante per dimostrare il potenziale di un transistor basato sullo spintronico».

Ma controllare l’orientamento di quegli spin, utilizzando sostanzialmente meno energia di un transistor convenzionale, si è rivelato molto più impegnativo di quanto credessero. Per riuscirci, i ricercatori  dovevano ricoprire il grafene con il materiale giusto. Fortunatamente, Binek aveva già dedicato anni allo studio e alla modifica del materiale adatto: l’ossido di cromo e spiega ancora: «Fondamentalmente, l’ossido di cromo è magnetoelettrico, il che significa che gli spin degli atomi sulla sua superficie possono essere capovolti dall’alto verso il basso, o viceversa, applicando una piccola quantità di tensione temporanea che assorbe energia. Quando si applica una tensione positiva, gli spin dell’ossido di cromo sottostante puntano verso l’alto, costringendo infine l’orientamento di rotazione della corrente elettrica del grafene a virare a sinistra e produrre un segnale rilevabile nel processo. La tensione negativa invece ribalta gli spin dell’ossido di cromo verso il basso, con l’orientamento di spin della corrente del grafene che ruota verso destra e genera un segnale chiaramente distinguibile dall’altro».

Dowben aggiunge: «Ora stiamo iniziando a ottenere una fedeltà davvero buona (nel segnale), perché se sei su un lato del dispositivo e applichi una tensione, la corrente va in questo modo. Puoi dire che è “attivo”. Ma se dice alla corrente di andare dall’altra parte, è chiaramente “spento”. Potenzialmente, questo offre un’enorme fedeltà a un costo energetico molto basso. Tutto quello che abbiamo fatto è stato applicare la tensione e si è capovolta».

Ma, per quanto promettente e funzionale sia stata la dimostrazione del suo team, Dowben evidenzia che «Esistono molte alternative al grafene che condividono lo spessore di un atomo ma vantano anche proprietà più adatte a un transistor magnetoelettrico. La corsa per sovrapporre l’ossido di cromo con gli altri candidati 2D è già iniziata e segna non il qualcosa, ma l’inizio di qualcosa. Ora che funziona, inizia il divertimento, perché ognuno avrà il proprio materiale 2D preferito e lo proverà. Alcuni funzioneranno molto, molto meglio, altri no. Ma ora che sappiamo che funziona, vale la pena investire negli altri materiali più sofisticati che potrebbero funzionare. Ora tutti possono entrare in gioco, capire come rendere il transistor davvero buono e competitivo e, alla fine, superare il silicio. Arrivare a questo punto è stato un lungo viaggio lastricato di “un numero enorme di progressi».

E Bird, che insieme a Binek è stato l’artec fice dei progressi più numerosi, aggiunge soddisfatto: «Questo tipo di progetto dimostra quanto possa essere efficace ed efficiente la ricerca collaborativa. Combinando, come fa, la rinomata esperienza nei materiali magnetici della Nebraska con le capacità della Buffalo nei dispositivi semiconduttori su nanoscala».

Concludendo Dowben ha raccontato solo alcuni dei principali progressi realizzati dal suo team: «C’era la consapevolezza che i materiali magnetoelettrici potevano rivelarsi un approccio praticabile. L’identificazione dell’ossido di cromo. La sua modifica, sia per controllare la sua rotazione con la tensione invece del magnetismo che assorbe energia, ma anche per garantire che funzioni ben al di sopra della temperatura ambiente, perché, se hai intenzione di competere con l’industria dei semiconduttori, non può funzionare solo in Nebraska in inverno. Deve funzionare in Arabia Saudita in estate. Poi c’erano le simulazioni al computer supportate dalla teoria e più prototipi in fase iniziale. Qui, non c’è stato nessun momento Edisoniano. In un certo senso sapevamo dove stessimo andando, ma ci è voluto un po’. Ci sono molti problemi tecnici da risolvere. È uno slog e non sembra carino. Ma a volte i risultati sono assolutamente spettacolari “ed è divertente».