Alla Cattolica di Brescia un’importante scoperta sui nuovi materiali

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

La scoperta è emersa grazie a uno studio condotto dall’università Cattolica di Brescia e pubblicato sulla prestigiosa rivista «Nature Communications», coordinato dal professor Claudio Giannetti, direttore dei laboratori Interdisciplinari di Fisica avanzata dei materiali presso il Dipartimento di Matematica e Fisica dell’ateneo. Il lavoro ha permesso di svelare un importante meccanismo che potrebbe aprire alla generazione di nuovi device e memorie ultra-rapide.

I risultati

I risultati indicano infatti che i cosiddetti «materiali di Mott», ovvero 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 a causa dei «difetti topologici» (la topologia è una branca della matematica che studia come cambiano le proprietà di forme e figure quando queste sono sottoposte a deformazioni) nella loro struttura cristallina.

Il professor Claudio Giannetti

La ricerca, condotta su un particolare ossido di vanadio (V₂O₃, materiale studiato per la sua capacità di cambiare rapidamente proprietà elettriche e ottiche sotto l'effetto di temperatura o di un campo elettrico), mostra che sono proprio questi difetti ad innescare la transizione.

Gli esperti hanno scoperto che queste transizioni da materiali isolanti a materiali conduttivi non sono casuali, ma dipendono appunto da difetti nella topologia della struttura. «Abbiamo realizzato nei laboratori Diamond Light Source nel Regno Unito un esperimento all’avanguardia - spiega il prof. Giannetti -, che combina una microscopia nanometrica, sensibile alla nanotexture del materiale, con la possibilità di applicare una tensione in situ durante le misure. I nostri risultati sperimentali sono ben supportati da un modello teorico sviluppato dal prof. Michele Fabrizio della Sissa (Scuola internazionale superiore di studi avanzati)».

Le implicazioni

Si tratta di una scoperta dalle implicazioni molto interessanti, poiché a partire da essa si potrebbero sviluppare diversi tipi di dispositivi innovativi, tra cui memorie resistive (ReRam), dispositivi che memorizzano dati cambiando la loro resistenza, utilizzando i difetti topologici per passare tra stati isolanti e conduttivi e che sarebbero più veloci e a basso consumo rispetto alle memorie tradizionali. 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.

Una fase dell'esperimento - © www.giornaledibrescia.it

«Ora che sappiamo che la trasformazione è innescata da difetti topologici – conclude Giannetti –, 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».

I dispositivi così progettati potrebbero migliorare l’efficienza e le prestazioni nei sistemi di calcolo e memoria, con una serie di applicazioni che vanno dai computer ai sistemi avanzati di intelligenza artificiale.