Materiale manderà in pensione il grafene

15 Gennaio 2014, di Redazione Wall Street Italia

NEW YORK (WSI) – E se invece di chiamarsi valle del silicio, la Silicon Valley venisse ribattezzata valle dello stagno? L’ipotesi, tra il serio ed il faceto, è stata avanzata di recente da Shoucheng Zhang, docente di fisica alla Stanford University di Palo Alto, in California, e dirigente dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, un dipartimento dello SLAC, l’alter ego statunitense del CERN.

In fondo prima di chiamarsi Silicon Valley, l’area si chiamava Microwave Valley, ed è solo con l’invenzione del microprocessore di silicio che diventa Silicon Valley. Ma Stanene? In fondo, ragionava Zhang durante la conferenza stampa nella quale ha presentato alla stampa scientifica questo nuovo metallo concepito dal suo laboratorio, prospettando un futuro in cui la circuitazione dei computer invece di essere costruita in silicio sarà fatta proprio di stanene, il cambiamento di nome non sarebbe poi tanto assurdo.

Presentato al pubblico per la prima volta a novembre, lo Stanene – dal latino stannum (stagno) fuso con il suffisso ene di grafene – ha lo spessore di un solo atomo ed è composto da una matrice bidimensionale di atomi di stagno e di fluoro collegati da legame chimico.

E, comportandosi meglio del grafene, “materiale delle meraviglie” al quale hanno fatto riferimento i ricercatori per scegliere il nome del nuovo composto, lo stanene ha la capacità di condurre elettricità senza opporre resistenza e annullando del tutto la dispersione della corrente. In sintesi lo stanene potrebbe rivelarsi il Sacro Graal della transistorizzazione, permettendo di costruire circuiti elettrici nei quali gli elettroni si muoiono in flussi ordinati e unidirezionali a velocità comparabili, o superiori, di quelle dei superconduttori ma a temperatura ambiente, o addirittura al di sopra del punto di ebollizione dell’acqua. Inoltre, utilizzando materiali che sono abbondanti in natura e che non minacciano l’ecosistema.

Certo i collegamenti tra i microprocessori e le altre componenti dei computer continuano a presentare problemi di attrito e parassitismo elettrico, e quindi continueranno a produrre caldo eccessivo, ma avendo ridotto la dispersione e il surriscaldamento interno del microchip, lo stanene potrebbe contribuire in maniera determinante all’introduzione di computer superveloci. Che consumerebbero meno energia di quelli esistenti e sarebbero anche meno costosi.

La “superconduttività” dello stanene a temperature ambiente è dovuto ad una proprietà che i fisici definiscono isolamento topologico: una proprietà per la quale mentre non permette il passaggio dell’elettricità al suo interno, un materiale può contemporaneamente non opporre alcuna resistenza al passaggio di elettricità sula sua superficie o lungo i suoi spigoli. Conosciuto come “effetto Hall quantistico di spin”, la proprietà stabilisce che gli elettroni che circolano sulla superficie di un isolante topologico si muovono tutti nella stessa direzione senza esercitare frizione come se seguissero un flusso continuo di energia.

Per visualizzare l’effetto di Hall si immagini che gli elettroni di un materiale si muovano ruotando su se stessi come se fossero delle piccolissime barre magnetiche con un polo positivo e uno negativo, la cui direzione è influenzata dalle perturbazioni fisiche del materiale, dai campi magnetici e dalle interferenze che gli elettroni esercitano l’uno sull’altro. Quando finiscono con lo sbattere l’uno nell’altro o “inciampare” in una imperfezione del materiale gli elettroni assumono direzioni imprevedibili e possono anche ritornare sui propri passi, cosa che non solo causa un significativo dispendio di energia ma che surriscalda anche il metallo al quale è stata applicata la corrente elettrica.

Storia totalmente diversa nel caso degli isolanti topologici. In questo caso la rotazione degli elettroni finisce col sincronizzarsi con quella del loro movimento longitudinale creando un flusso unidirezionale che elimina il rischio di marce indietro, di oscillazioni casuali, e che gli imprime velocità altissime. Sebbene non registrino resistenza, e quindi non causino dispersioni, in matrici tridimensionali gli elettroni degli isolanti topologici possono ancora collidere lateralmente tra di loro sviluppando calore e fenomeni elettrici parassitari.

Diverso il comportamento in un strato a due dimensioni, dove non c’è spazio che per muoversi in una sola direzione senza diversioni laterali, qui gli elettroni si organizzano in flussi paralleli come se fossero automobili nelle corsie di un’autostrada. “La bellezza degli isolanti topologici è proprio quella di riuscire a far muovere gli elettroni ad altissima velocità in una sola direzione con una conduttività del 100%, è come se si trovassero in delle corsie automobilistiche tedesche”, afferma Zhang, “eventualmente lo stanene sarà usato per costruire circuiti avanzatissimi, ivi compreso sostituire il silicio contenuto nei transistor e nei microchip”.

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