In Cattolica, una nuova scoperta nel campo delle memorie ultra-rapide

Ricercatori dell’Università Cattolica, campus di Brescia, hanno scoperto che alla base della transizione da isolante a conduttore di certi materiali ci sono dei difetti topologici della struttura. In particolare uno studio 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, mostra che 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. Lo studio, condotto nello specifico su un particolare ossido di vanadio (V₂O₃), mostra che sono proprio questi difetti che innescano questa transizione.

Lo studio è stato svolto in collaborazione con IMDEA Nanociencia, KU Leuven, SISSA e Diamond Light Source.

Background

L’ossido di vanadio V₂O₃ è un materiale studiato per la sua capacità di cambiare rapidamente proprietà elettriche e ottiche sotto l’effetto di temperatura o di un campo elettrico, fenomeno chiamato “transizione di fase di Mott.” È usato principalmente in Finestre intelligenti per controllare la trasparenza per regolare la luce solare; elettronica avanzata e memorie resistive, per dispositivi di memoria e commutatori ad alta velocità; dispositivi ottici come lenti e filtri che rispondono alla luce e al calore. Gli ossidi di vanadio sono promettenti per applicazioni in elettronica di potenza, risparmio energetico e dispositivi di calcolo neuromorfico.

Lo Studio

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”.

Gli esperti hanno scoperto che queste transizioni non sono casuali, ma dipendono da difetti nella topologia della struttura. “Questa scoperta ha richiesto un esperimento all’avanguardia che combina una microscopia nanometrica, sensibile alla nanotexture del materiale, con la possibilità di applicare una tensione in situ durante le misure”, spiega il professor Giannetti, ordinario di Fisica all’Università Cattolica. “Abbiamo realizzato questo esperimento presso i laboratori Diamond Light Source nel Regno Unito, dove è stato possibile acquisire immagini dell’apertura di un canale metallico mentre si applicava una tensione, superiore alla soglia, al dispositivo. Questa scoperta è importante perché fa luce sul meccanismo alla base della trasformazione da isolante a metallico in questi materiali. I nostri risultati sperimentali sono ben supportati da un modello teorico sviluppato dal Prof. Michele Fabrizio della SISSA. Ora che sappiamo che la trasformazione è innescata da difetti topologici, 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”.

Grazie a questa scoperta per esempio, 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. 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. Questi dispositivi potrebbero migliorare l’efficienza e le prestazioni nei sistemi di calcolo e memoria, con applicazioni che vanno dai computer ai sistemi avanzati di intelligenza artificiale, conclude.