Una tecnica innovativa per drogare i cristalli permetterà la nascita di una nuova elettronica. Il processo di drogaggio, conosciuto anche come doping, consiste nell’introdurre una quantità precisa di impurità all’interno di alcune sostanze, ed è utilizzato normalmente per amplificare le proprietà dei semiconduttori che sono utilizzate per costruire i transistor. In altre parole, senza l’aggiunta di singoli atomi di Fosforo, Arsenico o Boro, il Silicio non avrebbe quelle caratteristiche che sono oggi usate per costruire i chip.
Alcune strutture nanocristalline, ossia cristalli di dimensioni molecolari, si comportano da un punto di vista elettrico come semiconduttori, e quindi diversi ricercatori hanno da tempo iniziato a studiare la possibilità di utilizzarle così come si usa oggi il Silicio, facendo nascere una elettronica basata sui nanocristalli.
Fino ad oggi, tuttavia, l’operazione di drogaggio non aveva dato i risultati sperati, al punto tale che una teoria ipotizzava l’esistenza di un meccanismo di autopurificazione da parte dei cristalli stessi.
Steven C. Erwin, del Laboratorio di ricerche navali di Washington, e Lijun Zu, dell’Università del Minnesota, hanno elaborato una spiegazione alternativa sull’interazione esistente tra le impurità da introdurre e i cristalli di dimensioni molecolari. Secondo i ricercatori, che hanno pubblicato le loro conclusioni su “Nature”, il trucco per drogare con successo queste strutture consiste nel sincronizzare il tempo di interazione tra impurità e superficie cristallina con quello proprio di accrescimento del cristallo stesso. In particolare, i risultati positivi del doping dipenderebbero da tre fattori, ossia dall’assorbimento iniziale delle impurità sulla superficie, dalla forma dei nanocristalli, e dalla tensione superficiale della soluzione nella quale crescono i cristalli, ossia dalla forza esistente tra le molecole sulla superficie di questo liquido.
Servendosi di questo modello, i ricercatori hanno prima studiato teoricamente la tecnica per inserire delle impurità di Manganese in un nanocristallo di Seleniuro di Cadmio, e successivamente hanno sperimentato con successo questo drogaggio, un operazione che fino ad oggi era sempre fallita.
L’esperimento del gruppo americano ha quindi dimostrato che le difficoltà nel doping dei nanocristalli possono essere risolte, e non sono intrinseche all’operazione in sé, ma risultano superabili se si fanno variare le condizioni alle quali si lavora. Il modello è infatti applicabile a molte strutture cristalline, e apre davvero la strada a una nuova classe di materiali che possono essere utilizzati in diversi campi.
Giulia Galli, ricercatrice italiana oggi al Laboratorio nazionale Lawrence Livermore, ha illustrato - sempre su “Nature”- le implicazioni di questa scoperta che “potrebbe consentire di sfruttare le proprietà ottiche ed elettroniche dei nanocristalli per realizzare delle applicazioni che vanno da celle solari più efficienti delle attuali a strumenti elettronici che utilizzino i valori di spin piuttosto che la carica elettrica”. Lo spin è un parametro quantistico relativo alle particelle elementari, e in centinaia di laboratori di tutto il mondo si sta cercando di costruire dispositivi elettronici più potenti proprio a partire da questa grandezza fisica. In particolare, la spintronica potrebbe permettere di realizzare apparecchi che si accendono immediatamente, elaboratori più potenti o memorie ad accesso rapido che conservano i dati anche senza tensione elettrica.
Infatti, secondo Galli, “l’introduzione di un’impurità attraverso il drogaggio potrebbe essere usata per iniettare uno spin localizzato in un reticolo del nanocristallo che, interagendo con altri spin, formerebbe la struttura per un dispositivo spintronico”.
Il lavoro dei ricercatori americani rappresenta solo un passo verso il traguardo della spintronica, ma costituisce una tappa fondamentale, in quanto ha dimostrato teoricamente e sperimentalmente che anche i nanocristalli semiconduttori possono essere drogati. La nuova elettronica, forse, bussa già alle porte.