Un gruppo di ricercatori guidati dalla University of Minnesota ha messo a punto un nuovo materiale che potrebbe potenzialmente permettere di creare processori e memorie molto più efficienti.

I ricercatori hanno depositato un brevetto per questo materiale con il supporto di Semiconductor Research Corporation, e ci sono realtà nell'industria dei semiconduttori che hanno già richiesto campioni del materiale.

"Abbiamo usato un materiale quantistico che ha attratto molta attenzione dall'industria dei semiconduttori negli ultimi anni, ma l'abbiamo creato in un modo unico che l'ha portato a essere un materiale con nuove proprietà fisiche e di spin che potrebbe migliorare enormemente l'efficienza dei chip di calcolo e memorizzazione", ha dichiarato il ricercatore a capo dello studio, Jian-Ping Wang.

Il nuovo materiale rientra in una classe chiamata “topological insulators", isolanti topologici, che è oggetto di studio per via delle proprietà magnetiche e di trasporto dello spin-elettronico. Gli isolanti topologici di solito sono creati usando un singolo processo di crescita dei cristalli. Un'altra tecnica produttiva comune si avvale di un processo chiamato Molecular Beam Epitaxy nel quali i cristalli crescono su un film sottile. Entrambe queste tecniche non possono essere scalate facilmente per l'uso nell'industria dei semiconduttori.

In questo studio i ricercatori sono partiti dal seleniuro di bismuto (Bi2Se3), un composto fatto di bismuto e selenio. Hanno poi usato una tecnica di deposizione su film sottile chiamata "sputtering", che è guidata dallo scambio del momento tra ioni e atomi nei materiali target in seguito alle collisioni.

Anche se la tecnica sputtering è comune nel settore dei semiconduttori, questa è la prima volta che viene usata per creare un materiale isolante topologico che potrebbe essere adattato alle applicazioni nell'industria dei semiconduttori e di quella magnetica.

Immagine cross-sezionale ottenuta al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) che mostra un campione usato per l'esperimento di conversione "charge-to-spin". I grani con dimensioni inferiori ai 6 nanometri nello strato isolante topologico hanno creato nuove proprietà elettriche per il materiale che hanno modificato il comportamento degli elettroni nel materiale. Crediti: Wang Group, University of Minnesota

"Il fatto che la tecnica ha funzionato non è stata la parte più sorprendente dell'esperimento", hanno sottolineato i ricercatori. I grain con dimensioni di meno 6 nanometri nel layer topologico isolante hanno creato nuove proprietà fisiche per il materiale che hanno mutato il comportamento degli elettroni nel materiale. Dopo aver testato il materiale ottenuto, i ricercatori hanno visto che è 18 volte più efficiente rispetto ai materiali attuali usati per i chip di calcolo e memorizzazione.

"Con la diminuzione delle dimensioni dei grain, abbiamo sperimentato quello che chiamiamo 'confinamento quantico', in cui gli elettroni nel materiale agiscono in modo diverso dandoci un maggiore controllo sul comportamento degli elettroni", ha detto il coautore dello studio Tony Low, sempre dell'Università del Minnesota.

I ricercatori ritengono che questo sia solo l'inizio e che questa scoperta potrebbe aprire la porta ad altri progressi nell'industria dei semiconduttori e nelle industrie collegate, per esempio per quanto concerne la tecnologia magnetic random access memory (MRAM).