La straordinaria versatilità dell’ossido di afnio
Le proprietà dell’ossido di afnio, spesso chiamato afnia, potrebbero sembrare insignificanti a prima vista. Tuttavia, quando questo materiale viene trasformato in strati ultra sottili, mostra caratteristiche affascinanti: gli strati possono essere utilizzati come memoria di computer non volatile attraverso l’interruttore di dipoli con un campo elettrico.
Inoltre, poiché la forza di questi dipoli è influenzata dal campo elettrico passato che ha sperimentato, sono ideali per la costruzione di memristori per architetture di computer ‘simili al cervello’.
Il lavoro di Beatriz Noheda
Beatriz Noheda, Professoressa di Nanomateriali Funzionali presso l’Università di Groningen, ha studiato il materiale e recentemente ha scritto un articolo di prospettiva sulle sue proprietà per la rivista Nature Materials. Afferma: “Viene già utilizzato nei dispositivi, anche se non comprendiamo tutta la fisica.”
La scoperta dell’afnia
Per creare computer più efficienti, è necessaria una memoria ad accesso casuale non volatile (RAM) veloce. I materiali ferroelettrici sembravano essere buoni candidati. Questi materiali sono composti da unità con dipoli che si interrupperanno collettivamente utilizzando un campo elettrico. Tuttavia, le loro proprietà si deteriorano se il numero di unità è troppo piccolo; la depolarizzazione spontanea si verifica al di sotto di circa 90 nanometri.
Un’eccezione è l’afnia. “Questo è stato scoperto più o meno per caso”, dice Beatriz Noheda. L’afnia è molto stabile ad alte temperature e in ambienti ostili ed è tradizionalmente utilizzata nell’industria metallurgica e chimica. Tuttavia, ha attirato l’attenzione dei produttori di microchip quando l’afnia amorfa si è rivelata un isolante di gate molto efficiente nei transistor. Noheda: “Sostituendo l’ossido di silicio tradizionale con l’afnia, i transistor potrebbero essere resi più piccoli.”
Il ruolo dell’afnia nella computazione neuromorfica
L’interesse di Noheda per il materiale deriva dal suo lavoro per il Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron), di cui è la direttrice scientifica. L’obiettivo di CogniGron è creare un’architettura di calcolo neuromorfica. L’afnia è uno dei materiali che vengono studiati lì. “In un articolo pubblicato da Science nel 2021, descriviamo come l’interruttore non avvenga semplicemente attraverso i dipoli. Abbiamo scoperto che anche il movimento delle lacune di ossigeno gioca un ruolo”, afferma Noheda. Sulla base della sua esperienza, è stata invitata a discutere le lezioni apprese dall’afnia in un articolo di prospettiva per Nature Materials.
La sostenibilità dell’afnia e la ricerca di alternative
La sostenibilità dell’afnia
L’afnia si comporta come un ferroelettrico, ma mantiene le sue proprietà solo alla scala nanometrica. Noheda: “I ferroelettrici sembravano essere fuori dalla corsa come contendenti per la RAM non volatile molto piccola, ma con l’afnia, sono ora in testa”. Detto questo, sembra che l’afnia non si comporti esattamente come un ferroelettrico. “Dobbiamo capire questo per utilizzare appieno il suo potenziale”, afferma Noheda. “E credo che ci stiamo arrivando. Come accennato, il movimento delle lacune di ossigeno sembra essere cruciale per le sue proprietà.”
Noheda sottolinea anche un altro concetto che dovrebbe essere preso in considerazione: l’energia superficiale nelle nanoparticelle. “Il diagramma di fase mostra che la superficie relativamente ampia di queste particelle crea l’equivalente di una pressione estremamente alta nell’ossido di afnio, che sembra svolgere un ruolo nelle proprietà di questo materiale”. Questo tipo di conoscenza è importante nella ricerca di altri materiali che si comportano come l’afnio. “L’afnio non è l’opzione più sostenibile per la produzione di microchip poiché le forniture mondiali sono troppo piccole. Cercando materiali con proprietà simili, potremmo trovare un candidato migliore”. Un’opzione potrebbe essere lo zirconio.
La ricerca di alternative sostenibili
Trovare un’alternativa sostenibile all’afnio potrebbe accelerare l’uso dei ferroelettrici nella memoria RAM. E poiché la forza del dipolo dipende dalla storia del campo elettrico che genera i dipoli, sarebbe un materiale ideale per produrre memristori, che consentono valori intermedi tra i classici valori binari di 0 e 1. Tali dispositivi analogici potrebbero comportarsi come i neuroni nel nostro cervello e sarebbero candidati per un’architettura di computer neuromorfica. “Stiamo lavorando verso tali chip neuromorfici. Ma prima, dobbiamo capire completamente la fisica dell’ossido di afnio e di materiali simili”.