Gli scienziati dell’EPFL hanno ideato un nuovo approccio all’elettronica che prevede la progettazione di metastrutture su scala sub-lunghezza d’onda. Questo approccio potrebbe dare il via alla prossima generazione di dispositivi ultraveloci per lo scambio di enormi quantità di dati, con applicazioni nelle comunicazioni 6G e oltre.
Finora, la capacità di realizzare dispositivi elettronici più veloci si è basata su un semplice principio: ridurre le dimensioni dei transistor e degli altri componenti. Ma questo approccio sta raggiungendo i suoi limiti, poiché i vantaggi della miniaturizzazione sono compensati da svantaggi come la resistenza e la ridotta potenza di uscita.
Elison Matioli del Power Semiconductor Devices Laboratory ( POWERlab ) della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL spiega che un’ulteriore miniaturizzazione non è quindi una soluzione praticabile per migliorare le prestazioni dell’elettronica. "I documenti recenti descrivono dispositivi sempre più piccoli, ma nel caso dei materiali a base di nitruro di gallio, i dispositivi migliori in termini di frequenza sono stati pubblicati già alcuni anni fa", afferma. "Dopodiché, non c’è più nulla di meglio, perché man mano che le dimensioni dei dispositivi diminuiscono, ci troviamo di fronte a limitazioni fondamentali. Questo vale indipendentemente dal materiale utilizzato".
In risposta a questa sfida, Elison Matioli e il dottorando Mohammad Samizadeh Nikoo hanno ideato un nuovo approccio all’elettronica che potrebbe superare queste limitazioni e portare a una nuova classe di dispositivi terahertz. Invece di rimpicciolire il loro dispositivo, lo hanno reingegnerizzato, in particolare incidendo su un semiconduttore composto da nitruro di gallio e nitruro di indio e gallio dei contatti modellati chiamati metastrutture a distanze inferiori alla lunghezza d’onda. Queste metastrutture consentono di controllare i campi elettrici all’interno del dispositivo, ottenendo così proprietà straordinarie che non esistono in natura.
Soprattutto, il dispositivo può operare a frequenze elettromagnetiche di terahertz (tra 0,3 e 30 THz), che sono significativamente più veloci delle onde di gigahertz utilizzate nell’elettronica di oggi. Possono quindi trasportare quantità di informazioni molto maggiori per un dato periodo o segnale, offrendo un grande potenziale per le applicazioni nelle comunicazioni 6G e oltre.
"Abbiamo scoperto che la manipolazione dei campi a radiofrequenza su scala microscopica può migliorare notevolmente le prestazioni dei dispositivi elettronici, senza ricorrere a pesanti ridimensionamenti", spiega Mohammad Samizadeh Nikoo, autore principale di un articolo su questa scoperta recentemente pubblicato sulla rivista Nature.
Registrazione di alte frequenze e basse resistenze
Poiché le frequenze terahertz sono troppo veloci per essere gestite dall’elettronica attuale e troppo lente per le applicazioni ottiche, questo intervallo viene spesso definito "terahertz gap" . L’uso di metastrutture a lunghezza d’onda inferiore per modulare le onde terahertz è una tecnica proveniente dal mondo dell’ottica. Ma il metodo di POWERlab consente un grado di controllo elettronico senza precedenti, a differenza dell’approccio ottico che prevede la proiezione di un fascio di luce esterno su un modello esistente.
"Nel nostro approccio basato sull’elettronica, la capacità di controllare la radiofrequenza indotta deriva dalla combinazione di contatti modellati a una lunghezza inferiore all’onda e dal controllo del canale elettronico con una tensione applicata. Ciò significa che possiamo modificare l’effetto collettivo all’interno del meta-dispositivo inducendo (o meno) gli elettroni", spiega Elison Matioli.
Mentre i dispositivi più avanzati oggi sul mercato possono raggiungere frequenze di 2 THz, i meta-dispositivi di POWERlab possono arrivare a 20 THz. Inoltre, i dispositivi attuali che operano nella gamma dei terahertz tendono a guastarsi con tensioni inferiori a 2 volt, mentre i meta-dispositivi possono gestire più di 20 volt. Ciò rende possibile trasmettere e modulare segnali terahertz con una potenza e una frequenza molto maggiori di quelle attuali.
Soluzioni integrate
Come spiega Mohammad Samizadeh Nikoo, la modulazione delle onde terahertz è fondamentale per il futuro delle telecomunicazioni, perché con le crescenti esigenze di dati di tecnologie come i veicoli autonomi e le comunicazioni mobili 6G, i limiti dei dispositivi odierni vengono rapidamente raggiunti. I meta-dispositivi elettronici sviluppati al POWERlab potrebbero servire come base per l’elettronica integrata a terahertz, producendo chip compatti ad alta frequenza che possono già essere utilizzati, ad esempio, negli smartphone.
"Questa nuova tecnologia potrebbe cambiare il futuro delle comunicazioni ad altissima velocità, poiché è compatibile con gli attuali processi di produzione dei semiconduttori. Abbiamo dimostrato una trasmissione di dati fino a 100 gigabit al secondo a frequenze terahertz, che è già 10 volte superiore a quella che abbiamo oggi con il 5G", afferma Mohammad Samizadeh Nikoo.
Per sfruttare appieno il potenziale dell’approccio, Matioli afferma che il prossimo passo sarà quello di sviluppare altri componenti elettronici pronti per essere integrati nei circuiti a terahertz.
"L’elettronica integrata a terahertz è il prossimo passo verso un futuro connesso. Ma la nostra elettronica è solo un elemento. Dobbiamo sviluppare altri componenti integrati a terahertz per sfruttare appieno il potenziale di questa tecnologia. Questa è la nostra visione e il nostro obiettivo".
Riferimenti
Samizadeh Nikoo, M., Matioli, E. Metadispositivi elettronici per applicazioni a terahertz. Nature 614, 451’455 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586’022 -05595-z
