Realizzato un semiconduttore che sfruttando un effetto quantistico promette una rivoluzione

I dispositivi a semiconduttore sono piccoli componenti che gestiscono il movimento degli elettroni nei gadget elettronici contemporanei. Sono essenziali per alimentare un’ampia gamma di prodotti high-tech, tra cui telefoni cellulari, computer portatili, sensori per veicoli e dispositivi medici all’avanguardia. Tuttavia, la presenza di impurità nei materiali o le variazioni di temperatura possono interferire con il flusso di elettroni, causando instabilità.

Ora, però, i fisici teorici e sperimentali del laboratorio  di Complessità e Topologia della  Materia quantistica (ct-qumat) delle università di  Würzburg e Dresda  hanno sviluppato un dispositivo semiconduttore in alluminio-gallio-arsenuro (AlGaAs). Il flusso di elettroni di questo dispositivo, solitamente soggetto a interferenze, è salvaguardato da un fenomeno topologico quantistico. Questa ricerca rivoluzionaria, che permetterà di realizzare chip molto più piccoli,  è stata recentemente descritta nella prestigiosa rivista Nature Physics.

“Grazie all’effetto  “Topologic skin” “pelle topologica”, tutte le correnti tra i diversi contatti del semiconduttore quantistico non sono influenzate da impurità o altre perturbazioni esterne. Questo rende i dispositivi topologici sempre più interessanti per l’industria dei semiconduttori. Eliminano la necessità di livelli estremamente elevati di purezza dei materiali che attualmente fanno lievitare i costi di produzione dell’elettronica”, spiega il professor Jeroen van den Brink, direttore dell’Istituto di Fisica Teorica dello Stato Solido presso l’Istituto Leibniz per la Ricerca sullo Stato Solido e sui Materiali di Dresda (IFW) e ricercatore principale di ct.qmat.

I materiali quantistici topologici, noti per la loro eccezionale robustezza, sono ideali per le applicazioni ad alta intensità di potenza. “Il nostro semiconduttore quantistico è stabile e allo stesso tempo estremamente preciso, una combinazione rara. Questo posiziona il nostro dispositivo topologico come una nuova ed entusiasmante opzione nell’ingegneria dei sensori”.

Estremamente robusto e ultra-preciso

L’utilizzo dell’effetto “topologic skin” consente di realizzare nuovi tipi di dispositivi elettronici quantistici ad alte prestazioni che potrebbero anche essere incredibilmente piccoli. “Il nostro dispositivo quantistico topologico misura circa 0,1 millimetri di diametro e può essere ridotto ulteriormente con facilità”, rivela van den Brink. L’aspetto pionieristico di questo risultato del team di fisici di Dresda e Würzburg è che sono stati i primi a realizzare l’effetto pelle topologico su scala microscopica in un materiale semiconduttore. Questo fenomeno quantistico era stato inizialmente dimostrato a livello macroscopico tre anni fa, ma solo in un metamateriale artificiale, non in uno naturale. È quindi la prima volta che viene sviluppato un minuscolo dispositivo quantistico topologico basato sui semiconduttori, altamente robusto e ultra-sensibile.

“Nel nostro dispositivo quantistico, la relazione corrente-tensione è protetta dall’effetto topologico perché gli elettroni sono confinati ai bordi. Anche in caso di impurità nel materiale semiconduttore, il flusso di corrente rimane stabile”, spiega van den Brink. E prosegue: “Inoltre, i contatti possono rilevare anche le minime fluttuazioni di corrente o tensione. Questo rende il dispositivo topologico quantistico eccezionalmente adatto alla realizzazione di sensori e amplificatori di alta precisione con diametri minuscoli”.

Una sperimentazione innovativa ha guidato alla scoperta

Il successo è stato raggiunto grazie alla disposizione creativa dei materiali e dei contatti su un dispositivo semiconduttore AlGaAs, inducendo l’effetto topologico in condizioni di ultra-freddo e con un forte campo magnetico. “Abbiamo davvero ottenuto l’effetto pelle topologico dal dispositivo”, spiega van den Brink. Il team di fisici ha utilizzato una struttura bidimensionale di semiconduttori. I contatti sono stati disposti in modo tale da poter misurare la resistenza elettrica ai bordi dei contatti, rivelando direttamente l’effetto topologico.

Ricerca unita in diverse località

Dal 2019, ct.qmat studia i materiali topologici quantistici a Würzburg e a Dresda, esplorando il loro straordinario comportamento in condizioni estreme come le bassissime temperature, le alte pressioni o i forti campi magnetici.

La recente scoperta è anche il risultato di una lunga collaborazione tra gli scienziati delle due sedi del cluster. Il nuovo dispositivo quantistico, concepito presso l’IFW, è stato un lavoro congiunto che ha coinvolto fisici teorici dell’Università di Würzburg e ricercatori teorici e sperimentali di Dresda. Dopo essere stato prodotto in Francia, il dispositivo è stato testato a Dresda. Jeroen van den Brink e i suoi colleghi sono ora impegnati a esplorare ulteriormente questo fenomeno, con l’obiettivo di sfruttarlo per future innovazioni tecnologiche.