È bresciana la scoperta che rivoluzionerà PC e AI

I difetti nella struttura di materiali isolanti possono avviare la trasformazione del materiale in conduttore.

Lo hanno scoperto i ricercatori dell’Università Cattolica, campus di Brescia, grazie ad uno studio svolto in collaborazione con IMDEA Nanociencia, KU Leuven, SISSA e Diamond Light Source e pubblicato sulla rivista Nature Communications e coordinato dal professor Claudio Giannetti, direttore dei laboratori Interdisciplinari di Fisica Avanzata dei Materiali presso il Dipartimento di Matematica e Fisica dell’Ateneo.

Alla base della transizione da isolante a conduttore di certi materiali ci sono dei difetti topologici della struttura.

L’esperimento è stato condotto nei laboratori Diamond Light Source nel Regno Unito. La rilevanza della scoperta consiste nell’aver fatto luce sul meccanismo alla base della trasformazione da isolante a metallico in questi materiali.

La scoperta permetterà di sviluppare memorie resistive (ReRAM), ossia dispositivi che memorizzano dati cambiando la loro resistenza, decisamente più veloci e a basso consumo rispetto alle memorie tradizionali.

Non solo «Si potrebbero sviluppare anche dispositivi neuromorfici, ovvero che imitano le sinapsi umane e sono utilizzabili per l’intelligenza artificiale, ma anche interruttori elettrici a bassa energia, riducendo i consumi energetici in vari tipi di elettronica.Questi dispositivi potrebbero inoltre migliorare l’efficienza e le prestazioni nei sistemi di calcolo e memoria, con applicazioni che vanno dai computer ai sistemi avanzati di intelligenza artificiale» nota il professor Giannetti, ordinario di Fisica all'Università Cattolica.

La ricerca mostra infatti come i cosiddetti ‘materiali di Mott’ - un tipo di isolanti fondamentalmente diversi dagli isolanti convenzionali, in grado di passare dallo stato isolante a quello conduttivo, (passaggio noto come "resistive switching") - possono cambiare stato proprio a causa dei difetti topologici nella loro struttura cristallina.

Gli esperti hanno dunque scoperto che queste transizioni non sono casuali, ma dipendono da difetti nella topologia della struttura.

Oggetto d’esame è stato un particolare ossido di vanadio (V₂O₃), un materiale studiato per la sua capacità di cambiare rapidamente proprietà elettriche e ottiche sotto l'effetto di temperatura o di un campo elettrico. Gli ossidi di vanadio sono promettenti per applicazioni in elettronica di potenza, risparmio energetico e dispositivi di calcolo neuromorfico.

Usando tecniche avanzate di microscopia a raggi X, i ricercatori hanno osservato che, sotto tensione elettrica, avviene la formazione di canali metallici a livello nanometrico.

«Lo switching resistivo è il processo fondamentale alla base del cambiamento improvviso delle proprietà elettriche nei dispositivi a stato solido sotto l'azione di campi elettrici intensi» spiega Alessandra Milloch, Università Cattolica di Brescia e prima autrice del lavoro.

«Nonostante la sua rilevanza tecnologica, questo processo si pensava fosse di natura stocastica, determinato da fluttuazioni locali e incontrollabili. Abbiamo deciso di approfondire e indagare la vera natura di questo fenomeno in dispositivi planari costituiti da due contatti metallici depositati su un sottile film di V2O3, che è uno degli esempi più celebri di isolante di Mott».

«Ora possiamo progettare nuovi esperimenti per fissare tali difetti e controllare il processo di switching resistivo, con l'obiettivo di ottenere un controllo completo del processo e ingegnerizzare dispositivi in grado di funzionare a velocità senza precedenti e con una dissipazione di potenza estremamente bassa» conclude Giannetti.