Venere, mondo infernale, è il pianeta più caldo di tutto il Sistema solare. Atterrarvi non è un’impresa impossibile, tanto che già ci sono riuscite una decina di sonde, quasi tutte dell’allora Unione Sovietica. Ciò che è veramente complicato è sopravvivere una volta toccato il suolo, dove s’incontrano una pressione proibitiva – 93 volte quella presente sulla Terra – e un’atmosfera rovente: fino a 467 gradi Celsius. Più che sufficiente a fondere il piombo. Non c’è dunque troppo da stupirsi se il record di resistenza sia ancora imbattuto dall’epoca di Venera 13, che nel marzo del 1982, una volta adagiatasi in superficie, riuscì a inviare dati per poco più di due ore – 127 minuti, per l’esattezza – prima che l’elettronica soccombesse al calore. D’altronde, se consideriamo che i limiti operativi più estremi per circuiti basati su semiconduttori – quelli di grado militare – vanno dai -55 ai +125 °C, è ovvio che per quanti scudi termici e liquidi refrigeranti si possano impiegare, senza la possibilità di disperdere il calore, a lungo andare, qualunque chip finisce per soccombere.
Crediti: Gemini/Media Inaf
Presto però le cose potrebbero cambiare. Un team della University of Southern California (Usc) è infatti riuscito a realizzare un chip di memoria con prestazioni al limite dell’incredibile: alimentato a 1.5 volt, è stato in grado di conservare i dati per oltre 50 ore a 700 °C, compiendo nel mentre oltre un miliardo di cicli di commutazione, con una velocità operativa nell’ordine delle decine di nanosecondi. Tutto senza alcun bisogno di raffreddamento. E attenzione: a 700 °C non è che abbia smesso di funzionare. Semplicemente, è la temperatura massima alla quale l’apparato di test poteva spingersi.
«Per ora abbiamo superato i 700 gradi, e pensiamo di poter andare oltre», commenta infatti lo scienziato della Usc Joshua Yang, alla guida del team che ha ottenuto lo straordinario risultato, riportato in un articolo pubblicato il mese scorso su Science. Detto altrimenti, quello da loro realizzato è un circuito che riuscirebbe a fare il suo lavoro anche immerso in una colata di lava. «Non è esagerato definirla una rivoluzione», continua Yang. «È la migliore memoria ad alta temperatura della quale sia mai stato dimostrato il funzionamento».
Un chip di memoria, dicevamo. Per l’esattezza, un memristore: il quarto membro della tetrade dei componenti elettronici bipolari passivi (gli altri tre sono i più noti condensatore, resistore e induttore). Tetrade la cui controparte sono le quattro grandezze fondamentali dei circuiti, vale a dire la tensione, la corrente, la carica elettrica e il flusso magnetico. E così come la capacità di un condensatore è una relazione fra carica e tensione, la resistenza di un resistore è una relazione fra tensione e corrente, l’induttanza di un induttore è una relazione tra il flusso magnetico e la corrente, per analogia il memristore era stato teorizzato, sin dal 1971, come bipolo della relazione tra flusso magnetico e carica elettrica – caratteristica, questa, che in modo simile a un condensatore gli consente di memorizzare un’informazione.
Teorizzato oltre mezzo secolo fa, dicevamo, il memristore tale è rimasto per 37 anni. Solo nel 2008, nei laboratori dell’Hp, grazie allo sviluppo delle nanotecnologie, è stato finalmente possibile passare dalle equazioni a un dispositivo vero e proprio. Però è solo con gli “ingredienti” ora adottati dal team della Usc che il memristore ha acquisito la capacità di sopravvivere a temperature estreme. In particolare, a compiere la magia è uno strato monoatomico di grafene. Variante introdotta quasi per caso da uno dei ricercatori del team di Yang, lo studente di dottorato Jian Zhao, primo autore dell’articolo su Science. Pensiamo al memristore come a un sandwich. Per confezionare quello “vincente” Zhao ha scelto per lo strato superiore un elemento non a caso: il tungsteno, vale a dire il metallo con la temperatura di fusione più elevata, ben 3422 °C. In mezzo, a mo’ di “farcitura”, lo ha imbottito con un materiale ceramico ampiamente utilizzato dall’industria dei semiconduttori: il biossido di afnio. Fin qui nulla di particolarmente nuovo. È lo strato inferiore che ha fatto la differenza: un sottilissimo foglio di grafene – bidimensionale, potremmo dire, avendo come spessore quello d’un singolo atomo di carbonio.
Modello molecolare del grafene, con struttura a celle esagonali. Crediti: AlexanderAius/Wikimedia Commons
L’obiettivo iniziale degli autori dello studio, a dire il vero, con la resistenza al calore non c’entrava affatto, era tutt’altro. È solo nel corso del test che è emersa questa proprietà. «È stato un caso, come la maggior parte delle scoperte», ricorda Yang. «D’altronde, è raro che un risultato sia davvero sorprendente, se riesci a prevederlo, e probabilmente non sarebbe abbastanza significativo».
Superato lo stupore, il team s’è messo a cercare una spiegazione. Ed è riuscito a trovarla. In un dispositivo convenzionale, il calore fa sì che gli atomi di metallo nell’elettrodo superiore migrino lentamente attraverso lo strato ceramico fino a raggiungere l’elettrodo inferiore. Quando ciò accade, i due lati si “saldano” in modo permanente, causando un cortocircuito nel dispositivo e lasciandolo bloccato in quello stato – rendendolo dunque non più utilizzabile, rotto. Il grafene blocca questo processo. Il suo rapporto chimico con il tungsteno è un po’ come quello fra l’acqua e l’olio, questa l’analogia proposta da Yang: man mano che gli atomi di tungsteno migrano verso il foglio di grafene, scoprono di non poter fare presa. E senza aver nulla a cui aggrapparsi, se ne vanno altrove. Niente saldatura, niente cortocircuito, niente guasto. Nemmeno in una colata di lava.
A questo punto, prima di fantasticare l’invio di sonde su mondi roventi e l’impiego in ambienti proibitivi, va ricordato che stiamo parlando di un prototipo: la strada da percorrere per arrivare alla produzione su larga scala, com’è richiesto per la realizzazione di sensori e computer, è per ammissione degli stessi autori dello studio ancora molto lunga. Ma è una strada finalmente segnata.
Non solo. Abbiamo descritto il memristore come un chip di memoria, e in effetti è da questa sua proprietà che prende il nome (unione di ‘memoria’ e ‘resistore’, appunto). Ma quale tipo di memoria? Anzitutto è una memoria non volatile, dunque che non va persa quando viene a mancare l’alimentazione. Inoltre è una memoria analogica: non è un bit che ricorda solo ‘zeri’ e ‘uni’, ma qualcosa di più simile a una sinapsi. E proprio questa caratteristica rende il memristore intrinsecamente adatto a essere utilizzato per realizzare chip neurali. Al tempo stesso, lo rende un eccezionale calcolatore analogico per compiere moltiplicazioni fra matrici, operazione alla base di molti compiti tipici dell’intelligenza artificiale, dall’elaborazione del linguaggio al riconoscimento delle immagini.
«Oltre il 92 per cento delle operazioni di calcolo nei sistemi di intelligenza artificiale come ChatGpt non sono altro che moltiplicazione di matrici», sottolinea a questo proposito Yang. «Dispositivi di questo tipo», continua riferendosi ai memristori, «sono in grado di eseguire tali operazioni nel modo più efficiente, con una velocità superiore di diversi ordini di grandezza e un consumo energetico inferiore». E prima o poi saranno in grado di farlo anche in ambienti infernali.
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “High-temperature memristors enabled by interfacial engineering”, di Jian Zhao, Cameron S. Jorgensen, Krishnamurthy Mahalingam, Cynthia Bowers, Wataru Sugimoto, Kai Ito, Seung Ju Kim, Ruoyu Zhao, Yichun Xu, Han-Ting Liao, Rajiv K. Kalia, Aiichiro Nakano, Kohei Shimamura, Fuyuki Shimojo, Priya Vashishta, Ajit K. Roy, Ning Ge, Miao Hu, R. Stanley Williams, Qiangfei Xia, Sabyasachi Ganguli e J. Joshua Yang