Correnti chirali: la nuova scoperta che potrebbe rivoluzionare l’elettronica

Dalla microelettronica alle energie rinnovabili: la “svolta chirale”. Tanti i vantaggi

Una nuova scoperta potrebbe cambiare il modo di trasportare l’energia, dallo stoccaggio alla trasmissione, con notevoli vantaggi dal punto di vista ambientale.
Si tratta di un nuovo tipo di fenomeno, derivante dalla meccanica quantistica, che impiega correnti chirali come portatori di informazioni al posto della carica dell’elettrone.
E se i termini tecnici rischiano di confondere e stordire la scoperta stessa e la sua portata, in realtà le dinamiche con le quali questa scoperta avviene sono molto semplici; come una “stretta di mano”.
Un gruppo internazionale di ricerca, capitanato dall’università Ca’ Foscari di Venezia – nella persona di Federico Mazzola, leader e ricercatore in Fisica dei materiali – ha svelato un nuovo stato della materia nel senso quantistico del termine, ovvero di interazione e relazione tra i materiali.
Una dinamica microscopica degli elettroni, che scorrendo producono questo moto chirale: lo stesso movimento elicoidale tipico del DNA.
Quando gli elettroni si muovono in modo “chirale”, generano campi magnetici localizzati sulla superficie della materia stessa.

Chiralità: una parola che guarda al futuro

“Il termine chiralità viene usato in diversi settori dove due enti si incastrano con moto rotatorio uno sull’altro – spiega Federico Mazzola – . Il DNA, per esempio, è una molecola chirale; come una stretta tra mani, destra con destra e l’una opposta all’altra.
Chirale, dal greco “χείρ, χειρός”, vuol dire “mano”, e indica in questo caso la  proprietà di un oggetto di sovrapporsi allo specchiato, nel nostro caso negli elettroni dei ‘materiali quantistici’. Come una sorta di vite che si infila nel legno (a differenza del chiodo che viene piantato)”.
Questa proprietà si verfica spesso nei cosiddetti materiali quantistici (ovvero quei materiali eterogenei, dai superconduttori ad alta temperatura agli isolanti topologici, fino ai materiali di Dirac e di van der Waals); la novità sta propria nel fatto che questo fenomeno si manifesti sulla superficie, permettendo quindi lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici ultra sottili, i quali implicherebbero svariati vantaggi a livello di gestione delle risorse ed ecologico.
La scoperta è sorta da una predizione teorica, resa possibile nella sua constatazione pratica grazie all’utilizzo del Sincrotrone Elettra (acceleratore di particelle dove il magnetismo e il campo elettrico sono sincronizzati) che si trova a Trieste; sperimentata su un materiale già noto alla comunità scientifica per le sue proprietà elettroniche, la scoperta ha invece individuato una gamma più ampia di materiali, che ne rende quindi l’applicazione più vasta.

Dalla microelettronica alle energie rinnovabili: la “svolta chirale”

“Il modo in cui viene trasportata la corrente è su base elettronica. Tradotto, si tratta di spostare l’elettrone. Questo crea una dispersione di energia – continua Federico Mazzola – data dagli urti degli elettroni. Sfruttando questo moto chirale invece, si potrebbe preservare l’energia, riducendo gli urti e quindi la dispersione. È una proprietà intrinseca che permetterebbe la riduzione del consumo di energia”.
Siamo quindi nel campo della spintronica, già reale nei dispositivi RAM dei nostri computer (meccanismi magnetici di registrazione).
Il fenomeno della corrente chirale potrebbe essere esteso a tutti i dispositivi elettronici, incrementando l’efficienza e diminuendo la dispersione di calore nell’ambiente.

I vantaggi chirali

Di riflesso, si avrebbe quindi un vantaggio nel risparmio di energia nelle trasmissioni informatiche.
Meno surriscaldamento dei nostri device implica minori rotture, e quindi una riduzione di rifiuti elettronici.
Al tempo stesso significa inoltre un abbassamento delle emissioni di CO2 nell’ambiente – sia dal dispositivo stesso che dalla minor produzione in serie – rientrando quindi nei parametri della convenzione di Parigi, la quale mira a contenere il surriscalmento globale entro i 1,5°C entro il 2030.
Il gruppo di ricerca ha compreso partner nazionali e internazionali: oltre alla già citata Università Ca‘ Foscari di Venezia, in Italia hanno partecipato l’Istituto Spin, l’Istituto Officina dei Materiali del CNR e l’Università di Salerno, oltre ai dipartimenti di Fisica del Politecnico di Milano e dell’Università degli Studi di Milano. A livello internazionale, l’Institute of Theoretical Physics della Jagiellonian University (Polonia), l’Institute of Physics della Polish Academy of Sciences, il Synchrotron SOLEIL, l’Interdisciplinary Nanoscience Center della Aarhus University e il Department of Physics and Astronomy della Seoul National University.