Scoperti comportamenti classici nel mondo quantistico

Finora si riteneva che alle nanoscale i fenomeni quantistici prevalessero sempre su quelli classici, ponendo forti limiti alla miniaturizzazione dei circuiti elettronici. Ora si è scoperto che un particolare tipo di dopaggio dei semiconduttori permette di conservare il comportamento classico delle cariche elettriche a dimensioni molto inferiori di quelle attese.

Living in a Quantum World

Una delle leggi fondamentali che regola il comportamento dei conduttori al passaggio di corrente elettrica è la legge di Ohm, scoperta nel 1825 dal fisico tedesco Georg Simon Ohm. Si tratta di una regola empirica basata sull'osservazione che le proprietà di trasporto delle cariche elettriche dei materiali mostrano un comportamento lineare: la tensione che si sviluppa attraverso un materiale conduttore è direttamente proporzionale alla corrente che lo attraversa, e la costante di proporzionalità che interviene è appunto la resistenza.

A partire dagli anni venti del secolo scorso, ci si aspettava che questo comportamento classico operasse su scala macroscopica, ma che su scala microscopica fosse sostituito dalla nuova meccanica quantistica. Al posto del movimento degli elettroni puntiformi del mondo in cui vige la fisica classica, ci si troverebbe di fronte alla diffusione delle onde quantistiche, dal comportamento molto diverso, che dovrebbe portare a una limitazione delle prestazioni dei dispositivi elettronici che si avvicinano alla nanoscala.

Il trasporto nel mondo quantistico è infatti caratterizzato dalla coerenza, dove il comportamento di fase delle onde può rimanere indisturbato su distanze (relativamente) considerevoli e questo può determinare a sua volta fenomeni di interferenza fra le onde.

Per questo si riteneva che, considerate le scale a cui sta arrivando la miniaturizzazione dei circuiti elettronici, la validità della cosiddetta "legge di Moore" - per la quale il numero di transistor per unità di superficie che possono contenere i processori, e quindi le loro prestazioni, raddoppia ogni 18 mesi - sarebbe stata prossima alla fine.

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Come è illustrato in un articolo pubblicato su "Science", un gruppo di ricercatori dell'University of New South Wales, della Purdue University e dell'Università di Melbourne ha dimostrato che, contrariamente a quanto ritenuto, la legge di Ohm può invece restare valida anche a dimensioni nanoscopiche e a temperature molto basse.

I ricercatori hanno ottenuto questi nanofili depositando con un microscopio a effetto tunnel atomi di fosforo a distanza di un nanometro uno dall'altro su una superficie di silicio, realizzando quindi un dopaggio molto alto del materiale. In questo modo hanno ottenuto nanocavi dello spessore compreso fra gli 1,5 e gli 11 nanometri che conservavano le capacità di trasporto elettrico proprio dei cavi di rame.

La conservazione del comportamento classico, osservano i ricercatori, sarebbe dovuto proprio a questo tipo di dopaggio, che porterebbe alla decoerenza delle onde quantistiche e quindi al loro collasso a particelle grazie ai fenomeni dissipativi dovuti a processi collisionali che avvengono nel materiale: ciò si riflette sulla conducibilità.

Questa - osservano gli autori - è una buona notizia per l'industria dei semiconduttori, che a questo punto può sperare di contare ancora per molti anni sulla legge di Moore.

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