I fantacomputer giocano con gli elettroni

UNA RIVOLUZIONE CON I MICROCHIP DI NUOVA GENERAZIONE ISPIRATI AI PRINCIPI DELLA RELATIVITA'

MICROCHIP al limite? Oggi i problemi che i progettisti devono affrontare, mentre si studiano versioni via via più potenti, sono la dissipazione termica e il consumo energetico. Si stima che i progressi nella tecnologia del silicio porteranno presto a limiti di natura fondamentale che non possono essere superati. E, quindi, è necessario percorrere altre vie, utilizzando principi fisici diversi da quelli degli attuali semiconduttori.
In questi dispositivi gli elettroni vengono spostati attraverso differenze di potenziale elettrico opportunamente applicate. Maggiore è la velocità di commutazione richiesta e maggiore dev'essere la rapidità con cui questi elettroni si muovono da una parte all'altra del semiconduttore. Questi spostamenti provocano molte collisioni, che disperdono una grande quantità di energia sotto forma di calore, riducendo l'efficienza. La meccanica quantistica e la teoria della relatività speciale offrono invece l'opportunità rivoluzionaria di progettare microchip di nuova generazione: i microchip spintronici. Se l'elettronica attuale si basa sul concetto di bit e i valori che un bit può assumere sono solo due (0 e 1), con i microchip spintronici si potranno utilizzare informazioni elementari a più di due valori. Questo è possibile perché ogni elettrone sarà portatore di un'informazione elementare codificata nell'orientamento del proprio spin: dalla meccanica quantistica sappiamo che un elettrone è paragonabile a una trottola elettricamente carica, che ruota intorno al proprio asse, e questa rotazione è lo spin. Se un elettrone è privato del campo magnetico, l'asse dello spin cessa di ruotare e si blocca in una posizione che è diversa da quella di partenza. Così si cambia l'orientazione e, per esempio, se si suppone di far assumere allo spin 16 orientazioni e si assegna a ciascuna fase un valore da 0 a 15, si è costruito un phit (la cifra di fase), che rappresenta un'informazione elementare in base addirittura esadecimale. E' quindi possibile codificare i dati che vengono elaborati nei microprocessori nello spin degli elettroni. La Motorola ha iniziato a produrre le MRAM (RAM magnetiche), che sfruttano il principio dei chip spintronici per immagazzinare i dati. Uno dei vantaggi è il fatto che, se si toglie l'alimentazione, i dati non vengono persi, perché ogni elettrone conserva l'orientazione dello spin nel momento in cui cessa il campo magnetico esterno.
In teoria, per costruire chip spintronici, sarebbero necessari magneti minuscoli in grado di controllare gli spin degli elettroni uno ad uno. In realtà, grazie alla relatività speciale, non è necessario: se una particella dotata di carica elettrica è in quiete in un campo elettrostatico, questa percepirà esclusivamente l'azione di quel campo. Ma, se si muove ad alta velocità, allora percepirà anche la presenza di un campo magnetico, che di conseguenza farà precedere il suo spin. Allineando due semiconduttori di composizione leggermente diversa (arseniuro di gallio e arseniuro di gallio e alluminio), il chip si deforma in modo tale che si instaura un campo elettrico. Quando gli elettroni attraversano questi due strati contigui, sentono non solo il campo elettrico, ma anche l'effetto del campo magnetico che fa precedere i loro spin. Così il campo può essere acceso e spento a piacimento, applicando una differenza di potenziale tra due elettrodi. Allo spegnimento del campo elettrico, si spegne anche il campo magnetico e gli spin si bloccano con una nuova orientazione. Al momento non esiste ancora un transistor spintronico, ma la corsa per i primi prototipi è partita: con questa tecnologia un computer riconfigurerà l'hardware a seconda delle esigenze, occupando meno spazio e utilizzando meno energia rispetto ai calcolatori attuali, trasformandosi in un dispositivo di potenza e versatilità oggi impensabili.

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