La Stampa - Consultazione Archivio

Quatratran, oltre i transistor NUOVA FRONTIERA DELL'ELETTRONJCA Quatratran, oltre i transistor E' nato U primo transistor quantistico. Una svolta neUa tecnologia elettroni�ca. Lo chiamano quatratran, un nome buffo che un giorno potrebbe cambiare la nostra vita come avvenne negU Anni 50 quando furono inventati i transistor, e poi negU Anni 60 con l'arrivo dei circuiti integra�ti e dei microprocessori. Acroni�mo di QUAsi-particle TRApping TRANsistor, U quatratran è un dispositivo dalle dimensio�ni microscopiche che funziona a temperature vicine allo zero assoluto (-273 gradi centigradi) e che, grazie a fenomeni quanti�stici, riesce ad amplificare for�temente una corrente fino a 70 volte utilizzando una mini�ma quantità di energia e intro�ducendo nel segnale un distur�bo trascurabUe. Il nuovo campo che si apre è quello di una elettronica basa�ta su materiali che, a bassa temperatura, perdono la loro resistenza elettrica mettendo in evidenza i sorprendenti com�portamenti della materia a sca�la atomica, tipici deUa meccani�ca dei quanti. Le prime appUca�zioni ipotizzabiU sono in micro�scopi elettronici capaci di forni�re immagini più definite, senso�ri per sofisticati strumenti di misura da usare in fisica deUe particelle o in rivelatori di raggi X per ricerche di astrofisi�ca, apparecchi per la spettrome�tria di massa. Come è fatto e come funziona un quatratran? Il dispositivo è costituito da strati molto sottili di materiale superconduttore (niobio), di materiale isolante (ossido di aUuminio) e di un materiale metaUico normale (aUuminio) disposti verticalmente in modo da formare due giunzioni. Quando si appUca una cor�rente elettrica a una deUe giun�zioni (iniettore), si ha uno spo�stamento di elettroni dal nio�bio verso l'aUuminio, dove, per effetto di una sorta di riscalda�mento locaUzzato, si creano molti altri elettroni, e quindi una corrente nella seconda giunzione (rivelatore) che può essere decine di volte maggiore di quella applicata. Il tutto in un oggetto che attualmente misura 80 per 80 millesimi di miUimetro ma che potrebbe un giorno diventare molto più pic�colo. I vantaggi del quatratran stanno nel fatto che, a fronte di una amplificazione cos�alta ottenuta in ambiente freddo, richiede una potenza elettrica di appena un milionesimo di watt con voltaggi di qualche millesimo di volt mentre i tran�sistor tradizionaU esigono po�tenze di 1-10 mUlesimi di watt e tensioni di alcuni volt. Per funzionare U quatratran deve essere tenuto a 269 gradi sotto zero in un thermos ad elio liquido, una tecnologia ormai quasi banale e relativamente poco costosa. Certo non trove�remo U quatratran in apparec�chi di consumo come radio o televisori, dove i chip a semi�conduttori rappresentano una tecnologia più sempUce, ma il nuovo dispositivo non è una soluzione in cerca di problemi: quando serve un'altissima sen�sibilità unita a un minimo rumore di fondo, la nuova tec�nologia superconduttiva è vincente. AUa base del funzionamento del quatratran c'è un fenome�no squisitamente quantistico: l'effetto tunnel. Osservato per la prima volta sugli elettroni nel 1960 dal norvegese Ivar Giaever (Premio Nobel 1973), l'effetto tunnel fa s�che una particella possa attraversare una barriera di potenziale mag�giore della sua energia, barrie�ra che invece, secondo la fisica classica, dovrebbe risultare invaUcabUe. Nel quatratran tro�viamo due giunzioni-tunnel fra tre strati metallici separati da due strati isolanti. La corren�te appUcata aUa prima giunzio�ne superconduttrice fornisce elettroni eccitati (chiamati quasi-particelle) nel materiale su�perconduttore intermdio (nio�bio). Da qui essi si muovono fino a raggiungere l'alluminio, in contatto metalUco con U niobio, dove trasferiscono tut�ta la loro energia a un maggior numerodi elettroni liberi nel metaUo normale. Sono questi elettroni che, ancora per effet�to tunnel, attraversano la se�conda giunzione, fornendo quindi una corrente proporzio�nale al segnale di ingresso ma fortemente amplificata. I padri sperimentaU del quatratran so�no napoletani (Università Fede�rico II, Infm Napoli), quelU teorici sono inglesi (Università di Oxford). Il gruppo napoleta�no fa capo ad Antonio Barone, leader storico della ricerca nel campo deUa superconduttività, e ha la sua punta in Gian Piero Pepe. «La disponibilità di una elet�tronica a basso rumore, con minima potenza dissipata e alte velocità di commutazione anche a basse temperature può portare un notevole valore ag�giunto in molti campi, soprat�tutto legati ai sensori avanzati spiega Pepe -. Altre appUcazio�ni interessanti ci sarebbero se si dimostrasse che U quatra�tran consente alte velocità di commutazione nei segnali elet�tronici che lo interessano (fre�quenze di lavoro fino al GHz): su questo per il momento non possiamo dire niente, dal mo�mento che la ricerca è ancora in corso». Siamo tuttavia lonta�ni da una industrializzazione del quaquatran. «Il nostro di�spositivo dice Pepe è un prototipo: molte sono le diffi�coltà che si incontrano già solo nel momento in cui si vuole standardizzare il processo di fabbricazione, figuriamoci se volessimo pensare aU'industrializzazione. Siamo nella fase di studio sistematico che segue la dimostrazione dell'effetto e non si può fare nessuna previ�sione in quanto tutto dipende da parametri oggi non ancora completamente noti». La collaborazione con l'Uni�versità di Oxford, e in particola�re con Norman Booth, è nata nell'ambito di un Network scientifico finanziato dalla Co�munità europea, a cui il gruppo napoletano ha partecipato co�me sezione dell'Istituto Nazio�nale di Fisica Nucleare insieme con il gruppo di Milano (Ettore Fiorini è il coordinatore del Network) e Genova, la Technical University e il Max Planck Institute di Monaco (Germa�nia), l'Università di Saclay (Francia), l'Università di Saragoza (Spagna). «A Napoli racconta Pepe in modo del tutto indipendente abbiamo lavorato all'idea del dispositivo e alla sua realizza�zione in un sistema a doppia giunzione tunnel supercondut�tiva. Ad un certo momento abbiamo confrontato il nostro lavoro e abbiamo scoperto di avere l'uno le risposte ai proble�mi dell'altro: la teoria di Booth spiegava i nostri dati, i nostri esperimenti dimostravano l'idea di Booth. La collaborazio�ne continua in modo molto attivo e punta sia ad una più completa comprensione dei meccanismi fisici che regolano il funzionamento del transistor sia al migUoramento delle sue proprietà elettroniche. Contri�buti preziosi a questo lavoro pubblicato su "Applied Physics" (luglio 2000) sono venuti da Loredana Parlato, Giuseppe Ammendola, Emanuela Esposi�to, Giuseppe Peluso e Antonio Barone, riferimento scientifico intemazionale per questo tipo di ricerche». Gian Piero Pepe vive a San Nazzaro, un piccolo paese in provincia di Beneven�to, dove è anche consigliere comunale. «Nel mio (poco) tempo libero dice mi piace ascoltare buona musica e leggere roman�zi e poesie: sono molto attratto da Leonardo Sinisgalli, che è riuscito a tradurre in grande poesia quell'atmosfera austera propria della civiltà contadina da cui anch'io provengo». C'è stato un Nobel per Brattain, Sbocley e Bardeen che fecero il primo transistor. Quest'anno il Nobel a Kilby ha consacrato il circuito integrato. Non resta che fare gli auguri al transistor superconduttivo. Piero Bianucci Una invenzione che permetterà di realizzare apparecchiature e sensori dalla incredibile raffinatezza: i suoi «padri» sono ricercatori di Napoli e di Oxford I sorprendenti fenomeni della meccanica dei quanti (superconduttività, effetto tunnel) sono alla base di una svolta tecnologica di imprevedibile portata WlNMUdnlr-ilKHiiiilimi unii luiinnn wn.i umilili ^ .i ll)#MÌè»i.niuiM^^ NUOVA FRONTIERA DELL'ELETTRONJCA Quatratran, oltre i transistor