Si tratta di forme ‘atomicamente sottili’ di materiali già noti, come i semiconduttori, oppure di materiali nuovi come gli X-eni, che si sono guadagnati le recenti copertine di prestigiose riviste scientifiche. Alessandro Molle del CNR, insieme a colleghi, descrive sulle pagine di Nature Materials le opportunità date dalla manipolazione degli X-eni per la progettazione di nuovi dispositivi. Gli X-eni sono cristalli composti da un singolo strato di atomi di un unico elemento chimico disposti in un reticolo esagonale. Si tratta di materiali artificiali, prodotti in laboratorio su substrati che ne agevolano la crescita: i primi sono stati il Silicene e il Germanene ottenuti per crescita epitassiale e per sintesi chimica, sono poi venuti lo Stanene e recentemente il Borofene e il Fosforene. Gli X-eni sono i naturali prosecutori del grafene, poiché gli atomi di Silicio, Germanio, Stagno, Boro o Fosforo sono organizzati con la stessa geometria esagonale, ma a differenza del grafene, che è strutturalmente piatto, gli X-eni presentano un reticolo distorto, una sorta di corrugazione intrinseca. Questa caratteristica, in aggiunta alla loro maggiore massa atomica rispetto al leggero grafene, ha un profondo effetto sulle proprietà degli X-eni, in particolare, li rende capaci di assumere uno stato ‘esotico’, noto come isolante topologico, in cui il materiale non è né completamente conduttore né completamente isolante.
“In linea teorica – spiega Alessandro Molle dell’Istituto per la Microelettronica e Microsistemi del CNR – gli X-eni, e in particolare quelli atomicamente più pesanti, sono materiali classificati come isolanti topologici 2D: significa che possono essere portati in un particolare stato quantistico in cui la parte interna del cristallo è isolante, quindi non conduce elettricità, mentre i suoi bordi presentano dei ‘canali’ in cui la corrente elettrica scorre incontrando una resistenza minima”. Un simile comportamento è riconducibile a quelle ‘fasi topologiche della materia’ per la cui scoperta è stato assegnato il Nobel 2016 per la fisica. E racchiude un potenziale tecnologico notevole: permette di avere un materiale che cambia stato al variare di determinate condizioni, come il campo elettrico o la deformazione applicata, passando da uno stato globalmente isolante a uno capace di una conduzione ideale e immune da difetti.
“In prospettiva si può immaginare di integrare gli X-eni in dispositivi elettronici e avere ad esempio dei transistor dove la commutazione logica è governata dalla topologia, con il passaggio da uno stato di isolante topologico ad un isolante banale, anziché dalla modulazione della carica come avviene nei transistor a semiconduttori convenzionali” – spiega Molle. “Passare da bit digitali a bit topologici non è solo un cambio di paradigma visionario, ma avrebbe vantaggi pratici poiché negli isolanti topologici la conduzione è esente dal fenomeno del backscattering che, in un conduttore normale, aumenta la resistenza elettrica e quindi la dissipazione energetica, contribuendo al surriscaldamento di circuiti elettronici”.
Ultimi arrivati nella famiglia dei cristalli bidimensionali, gli X-eni espandono le possibilità di realizzare materiali con proprietà nuove e modulabili che non si trovano nei materiali naturali, e aprono la strada a tecnologie completamente nuove. Nonostante vi siano ancora limiti tecnici da superare per realizzare simili tecnologie, la visione che offrono gli X-eni è tra le frontiere più avanzate della cosiddetta ‘fisica oltre il grafene’.
Reticolo cristallino del silicene – L. Tao, et al., Nat. Nano. 10, 227 (2015)
