Un gruppo di ricerca composto da scienziati dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dell’Università di Salerno ha fatto una scoperta che potrebbe rivoluzionare il mondo dell’elettronica ad alta frequenza. I ricercatori hanno osservato che i film sottili di bismuto presentano l’effetto Hall non lineare, un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per il controllo dei segnali ad alta frequenza terahertz sui chip elettronici. Il bismuto si distingue per una serie di proprietà vantaggiose che, fino ad ora, non erano state riscontrate in altri sistemi. La ricerca, pubblicata su Nature Electronics, evidenzia in particolare che l’effetto quantistico si manifesta a temperatura ambiente e che i film sottili possono essere applicati anche su substrati di plastica, rendendoli quindi adatti per applicazioni nella moderna tecnologia ad alta frequenza.
Il fenomeno dell’effetto Hall
L’effetto Hall si verifica quando, applicando una corrente a determinati materiali, questi generano una tensione perpendicolare ad essa. “Questo fenomeno, che noi fisici chiamiamo effetto Hall, è in realtà un termine unificante per effetti con lo stesso impatto, ma che differiscono nei meccanismi sottostanti a livello elettronico”, spiega il Dr. Denys Makarov dell’Istituto di Fisica dei Fasci Ionici e Ricerca sui Materiali presso l’HZDR. Tipicamente, la tensione di Hall registrata dipende linearmente dalla corrente applicata. Tuttavia, nel 2015, è stato scoperto che l’effetto Hall può verificarsi anche senza l’influenza del magnetismo, utilizzando materiali la cui disposizione cristallina consente tensioni di Hall non più linearmente correlate alla corrente.
La ricerca di nuovi materiali
I ricercatori hanno unito le forze nella ricerca di materiali adatti e possibili applicazioni pratiche di questo cosiddetto effetto Hall non lineare. Mentre Ortix è un fisico teorico, Makarov apporta il know-how sperimentale e la connessione con altri istituti dell’HZDR, che contribuiscono significativamente al lavoro con la loro competenza. “Abbiamo collaborato con colleghi del Centro ELBE per le Sorgenti di Radiazioni ad Alta Potenza, del Laboratorio di Campo Magnetico Elevato e dell’Istituto per l’Ecologia delle Risorse. L’obiettivo comune: identificare un materiale adatto in cui questo effetto quantistico possa manifestarsi in modo controllato a temperatura ambiente e che sia anche facile da gestire e non tossico”, descrive Makarov.
Il bismuto: un materiale con nuove proprietà
Nel bismuto, i ricercatori hanno trovato un candidato che esibisce queste proprietà. Il bismuto è noto per il suo forte effetto Hall classico, presente nel materiale massiccio. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che sulle superfici, invece, dominano gli effetti quantistici e governano il flusso di corrente anche a temperatura ambiente.
Un approccio vantaggioso
Un grande vantaggio dell’approccio è che i ricercatori possono applicare i loro film sottili con proprietà quantistiche su una varietà di substrati per l’elettronica, come wafer di silicio e persino plastica. Il team ottiene il controllo dell’effetto attraverso una sofisticata microfabbricazione: possono influenzare direttamente le correnti tramite la geometria dei canali sul chip.
Materiali quantistici con rilevanza tecnologica
Altri team avevano già creato una serie di materiali che presentano l’effetto Hall non lineare, ma non combinano tutte le proprietà desiderabili. Il grafene, ad esempio, è ecocompatibile e il suo effetto Hall non lineare può essere ben controllato, ma solo a temperature inferiori a circa -70 gradi Celsius. Ciò significa che, se i ricercatori vogliono utilizzare l’effetto, devono raffreddarlo con azoto liquido. Per altri composti, sarebbero necessarie temperature ancora più basse.
La ricerca è attualmente concentrata sulla ricerca di materiali adatti, ma gli scienziati stanno già pensando al futuro. “Vediamo un potenziale tecnologico soprattutto nella conversione delle onde elettromagnetiche terahertz in corrente continua utilizzando i nostri materiali in film sottile. Questo renderà possibili nuovi componenti per la comunicazione ad alta frequenza”, afferma Ortix. Per garantire tassi di trasmissione dati significativamente più elevati, i futuri sistemi di comunicazione wireless dovranno estendere la frequenza portante oltre i 100 gigahertz nel range terahertz, che è fuori dalla portata delle tecnologie odierne.
