Un altro componente mancante potrebbe rivoluzionare l'elettronica

Nel 1971, Leon Chua, un giovane ingegnere elettronico dell'Università della California, a Berkeley, iniziò a lavorare su una struttura matematica fondamentale per l'elettronica. La sua teoria si basava sulle relazioni tra carica, corrente, flusso magnetico e tensione e sul modo in cui queste quantità elettromagnetiche variano mentre passano attraverso gli elementi del circuito di base di resistori, condensatori e induttori.

Una corrente che passa attraverso un resistore crea una tensione. Per una data tensione, un condensatore immagazzina una certa quantità di carica. E una corrente che passa attraverso un induttore genera un flusso magnetico. Ma Chua vide che mancava qualcosa: una relazione tra carica e flusso magnetico.

Ha ipotizzato l'esistenza di un dispositivo per collegare queste due quantità, che ha chiamato un memristor, ma ci ha pensato poco per più di 30 anni. Poi, nel 2004, i ricercatori dei laboratori Hewlett-Packard hanno annunciato di aver creato un memristor e che aveva la straordinaria capacità di archiviare informazioni senza utilizzare energia. Era come una resistenza con memoria.

Da allora, questo team e altri hanno impacchettato memristori in chip per simulare, tra le altre cose, il modo in cui il cervello umano elabora le informazioni. E altri ricercatori hanno iniziato la ricerca di memcapacitors e meminductors, versioni analoghe degli altri componenti elettronici passivi.

Questa storia solleva una domanda interessante. Ci sono altri elementi elettronici ancora da scoprire e, in caso affermativo, cosa farebbero?

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Sungsik Lee alla Pusan ​​National University in Corea del Sud. Mentre Chua si è concentrato sui componenti elettronici passivi come resistori e condensatori, Lee ha studiato le proprietà dei componenti elettronici attivi come i transistor. Dice di aver identificato un altro divario e che il dispositivo mancante, se può essere costruito, avrà profonde conseguenze per il futuro dell'elettronica.

Il ragionamento di Lee si concentra sul dispositivo elettronico attivo più importante: il transistor. Ha un'uscita che può essere commutata da un ingresso in corrente o in tensione. In altre parole, un transistor è un modo per accendere e spegnere la corrente.

Ma non esiste un dispositivo paragonabile per commutare una tensione. Si propone di descrivere un tale dispositivo.

I transistor prendono un segnale di ingresso e lo trasferiscono all'uscita di corrente, un po' come un resistore variabile. Da qui il nome: una combinazione di trasferimento e resistenza. Al contrario, il dispositivo che immagina trasferirebbe un segnale di ingresso in un'uscita di tensione, come un condensatore variabile. Quindi Lee lo chiama un trancitore.

Continua suggerendo come potrebbe essere utilizzato. Un'applicazione ovvia è accoppiare un trancitore e un transistor per creare circuiti che sono molto più semplici e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai progetti esistenti. Ad esempio, Lee mostra come sarebbe possibile creare un semplice amplificatore di tensione utilizzando un singolo trancitore e un singolo transistor. Al contrario, una versione convenzionale di questo circuito richiede quattro transistor.

Lee continua a simulare un circuito del genere e afferma che il risultato è più piccolo, meno affamato di energia e più veloce dei circuiti convenzionali a soli transistor.

Ciò ha implicazioni significative per i dispositivi elettronici. I circuiti transistor-transitore occuperebbero molto meno spazio, consumerebbero meno energia e lavorerebbero a velocità più elevate rispetto ai circuiti convenzionali. I trancitori porterebbero un nuovo paradigma dell'elettronica, afferma Lee.

Ma c'è un'importante domanda senza risposta: come costruire un trancitore.

Lee afferma che il suo nuovo dispositivo potrebbe funzionare utilizzando il noto effetto Hall, che produce una tensione attraverso un conduttore quando un campo magnetico viene applicato in una direzione perpendicolare alla corrente. Ma come questo possa essere sfruttato su scala nanometrica in circuiti compatibili con CMOS non è chiaro.

I circuiti elettronici di oggi sono stati ottimizzati nel corso di decenni, quindi qualsiasi nuovo dispositivo avrebbe un po' di tempo da recuperare.

Uno dei motivi per cui il memristor di Chua ha impiegato così tanto tempo per trovarlo è che le proprietà del materiale che gli consentono di funzionare possono essere manipolate solo su scala atomica. Quindi non c'era modo di realizzarne uno in modo efficiente fino a tempi relativamente recenti.

L'effetto Hall funziona certamente sulla scala dei portatori di carica subatomici. Quindi tutto ciò di cui abbiamo bisogno ora è un ingegnere elettronico intraprendente per trovare un modo per costruire un trancitore e metterlo in uso.

Rif: arxiv.org/abs/1805.05842 : Un dispositivo attivo mancante: un trancitore per un nuovo paradigma dell'elettronica

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