Dopo decenni di ripetuta reinvenzione, i transistor in silicio stanno cominciando a mostrare la propria età, e l’industria è a caccia di nuove alternative. Una opzione comporta l’utilizzo di un nuovo sistema di manipolazione delle proprietà dei materiali che l’industria informatica è già solita usare. Nel caso in cui dovesse funzionare, questa soluzione porterebbe a processori che non solo garantiscono una migliore efficienza energetica ma vantano anche ottime capacità di calcolo e memorizzazione.
Con qualche ritocco, i ricercatori hanno scoperto di riuscire a far sì che i materiali ferroelettrici — ampiamente utilizzati per conservare dati utilizzando una carica elettrica — cambino rapidamente in uno di quattro stati differenti. Un transistor realizzato con questo genere di materiale potrebbe utilizzare questi stati per rappresentare più dei semplici 1 e 0 che stanno alla base della logica digitale di oggi; potrebbe conservare ciascuno di questi stati senza necessitare di una fonte di alimentazione esterna, e potrebbe elaborare informazioni oltre a conservarle.
Con il costante rimpicciolimento dei transistor in nanoscala, questi stanno raggiungendo i propri limiti prestazionali, con ovvi problemi in termini di consumo, dispersione del calore e velocità. Secondo Thomas N. Theis, uno scienziato del Watson Research Center di IBM a Yorktown Heights, New York, e direttore esecutivo della Nanoelectronics Research Initiativepresso la Semiconductor Research Corporation, un consorzio industriale, per riuscire a superare questo genere di sfida occorrerebbero dispositivi che operino in modi fondamentalmente differenti.
Uno dei vantaggi principali dei materiali ferroelettrici sta nel fatto che non sono nuovi nell’industria dei semiconduttori, come spiegatoci da Lane Martin, lo scienziato dei materiali presso l’Università della California, a Berkeley, che ha guidato la nuova ricerca.
Fujitsu, Texas Instruments ed altre società hanno già realizzato dispositivi di memoria in materiale ferroelettrico. «Stiamo lavorando a una nuova versione di questi materiali, per cui le società che fossero interessate ad adottarla non dovranno preoccuparsi di trascorrere 10 anni ad adattare gli impianti», come sono soliti dover fare all’introduzione di un nuovo materiale. Martin sta collaborando con il chimico teorico Andrew Rappe, dell’Università della Pennsylvania, per elaborare e testare modelli ferroelettrici.
Come nei transistor in silicio, lo stato delle celle ferroelettriche può essere modificato al fine di rappresentare bit di informazioni. La fisica dietro questo passaggio di stato è però fondamentalmente diversa. Anziché passare da uno stato di conduzione a uno di isolamento, i materiali ferroelettrici cambiano polarizzazione elettrica — ovvero l’orientamento delle cariche all’interno del materiale.
I materiali ferroelettrici vantano una naturale polarizzazione elettrica, ed è possibile invertirne la carica utilizzando un campo elettrico. Finora, questo scambio, che avviene in un paio di nanosecondi, è sufficientemente rapido da poter essere utilizzato per la conservazione di dati, ma troppo lento per l’elaborazione dei dati, e richiede una particolare quantità di energia. Rappe prevede che crescendo cristalli ferroelettrici con una particolare angolazione, ed applicando il campo elettrico da un angolo differente che non viene solitamente impiegato, i materiali dovrebbero cambiare stato in maniera differente. Oltre agli stati “sopra” e “sotto”, vi sarebbero infatti altri stati intermedi che Martin descrive come “stati laterali.
Martin ha realizzato celle con vari materiali ferroelettrici, incluso il titanato zirconato di piombo, ed ha mostrato che possono essere scambiati molto più rapidamente, e a voltaggi inferiori, quando la transizione di stato passa per uno stato intermedio, piuttosto che direttamente da quello sopra a quello sotto. I risultati sono stati pubblicati su Nature Materials. Martin sostiene che questi interruttori ferroelettrici funzionano anche a velocità dalle due alle tre volte superiori rispetto ai modelli convenzionali. Secondo Theis, il lavoro rappresenterebbe «un avanzamento molto importante» verso la comprensione di questi materiali.
Martin e Rappe sostengono di voler andare oltre l’impiego dei ferroelettrici per la memorizzazione di dati. Un’idea sarebbe quella di combinare questi materiali con il silicio per realizzare tipologie fondamentalmente nuove di transistor. Dispositivi simili sarebbero energeticamente efficienti ed abbinerebbero capacità di elaborazione a capacità di memoria, spiega Marin. «Potreste quindi ritornare immediatamente a quello che stavate facendo prima che saltasse la luce, ad esempio — una opzione particolarmente utile che farebbe risparmiare parecchi soldi ai data center».