L’Elettronica Quantistica e Molecolare

Elettronica quantistica

La teoria dei quanti è la materia che sta alla base dell’elettronica quantistica. Fu Max Planck, nel 1900, a dare origine a questo concetto. L’energia che i corpi possono emettere o assorbire è un multiplo di una quantità fissa (detto “quanto”) pari a

E = h * v

dove h è la costante universale di Planck e v è la frequenza di radiazione, che dipende dal tipo di materiale. Non è quindi un fenomeno di tipo continuo, come si pensava fino alla fine dell’800, ma “discreto” o “quantizzato”.

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Da qui, successivamente, Einstein interpretò in questi termini l’effetto fotoelettrico, cioè l’emissione di elettroni da parte dei corpi a causa di radiazione elettromagnetica alla quale è sottoposto il corpo stesso.
Poi Bohr teorizzò i livelli discreti delle orbite degli elettroni che ruotano attorno al nucleo degli atomi.
Attorno agli anni ’20 del secolo scorso altri ricercatori e fisici quali De Broglie, Heisenberg, Dirac e Schrödinger, contribuirono a fare chiarezza una materia che anche oggi non si considera completamente sviscerata.
Tra i nuovi principi scaturiti da questi studi possiamo sottolineare il principio di indeterminazione di Heisenberg e il conseguente aspetto probabilistico.

L’elettronica quantistica studia gli effetti provocati su dispositivi elettronici dalle interazioni elettromagnetiche.
Le piu’ importanti applicazioni di questi studi sono legate agli gli effetti “laser” e “maser”.

L’effetto laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è alla base del funzionamento dei dispositivi in grado di emettere un fascio di luce dalle caratteristiche peculiari quali la coerenza di emissione e la monocromaticità. Le applicazioni di questo dispositivo sono piuttosto note, e vanno dalla chirurgia al taglio estremamente preciso di metalli e altri materiali rigidi.

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L’effetto maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è simile al laser, ma agisce su una gamma di frequenze differente: le microonde. Meno noti del laser, i dispositivi a maser sono utilizzati per la generazione di frequenze estremamente precise e nei radiotelescopi.

L’effetto tunnel è un altro risultato degli studi di elettronica quantistica. Su questa teoria si basa un componente elettronico chiamato diodo tunnel. La sua particolarità e’ costituita da una caratteristica di tipo negativo della resistenza in funzione della tensione applicata. È in grado di operare fino a 300 GHz, il che lo rende adatto ad applicazioni a radiofrequenza, in particolare come elemento attivo negli oscillatori.

 

Elettronica Molecolare

L’elettronica molecolare studia invece la risposta delle singole molecole a stimoli di tipo elettrico, magnetico, elettromagnetico, fisico e chimico.
Multidisciplinare per definizione, nell’elettronica molecolare entrano in gioco non solo l’elettronica dello stato solido ma anche la biologia, la chimica e le scienze dei materiali.
È proprio il superamento dei limiti dell’elettronica a semiconduttore l’obiettivo che si prospetta come il più interessante nell’elettronica molecolare.

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A metà degli anni ’70 Gordon Moore (della Intel) teorizzò la famosa legge che porta il suo nome, la quale prevedeva, per i dispositivi elettronici digitali, un raddoppio del numero di componenti per unità di area ogni 18 mesi. Per fare questo, le aziende di semiconduttori hanno operato essenzialmente con miglioramenti della microlitografia per realizzare componenti elementari (transistori) sempre più piccoli. Oggi questa tecnica sembra non poter proseguire ancora per molto. Limiti fisici e tecnologici nonché i costi delle attrezzature necessarie per produrre questi dispositivi sembra stiano raggiungendo limiti invalicabili.

Con l’elettronica molecolare è stato dimostrato che si può utilizzare una singola molecola, opportunamente stimolata, per rappresentare due stadi: uno che interpreta il livello logico “0” e uno il livello logico “1”. La funzione è la stessa dei transistori che operano in digitale. La differenza sta nelle dimensioni delle celle elementari: mentre i transistori mos a semiconduttore non sono attualmente pensabili dimensioni inferiori a 100 nanometri, con le singole molecole questo valore si riduce a valori attorno al nanometro. Un fattore 100 di maggiore densità di componenti elementari per una tecnologia che, in piu’, avrà costi di produzione inferiori.

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Nell’elettronica molecolare entrano in gioco prepotentemente le materie organiche. Un materiale che, si pensa, sostituirà il silicio è il carbonio. Con questo elemento sono stati realizzati dei nanotubi che permetteranno i collegamenti tra le varie molecole costituenti i nuovi circuiti digitali molecolari. Le loro dimensioni sono compatibili con quelle necessarie a questa nuova tecnologia che, in un futuro non molto distante, permetterà migliori prestazioni a prezzi più ridotti rispetto alle tecnologie a semiconduttore attuali.