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In elettronica, un diodo è un componente bipolo che consente al flusso di corrente di scorrere in un verso, mentre lo blocca in quello opposto. Ciò è possibile perché i materiali con cui un diodo è realizzato – i semiconduttori – presentano una bassa resistenza per segnali con una certa polarità (consentendone, dunque, il libero defluire) e un'alta resistenza per i segnali di polarità opposta (opponendosi al moto e bloccando così il flusso di elettroni).
Lo sviluppo di questi concetti ha portato alla creazione di diversi dispositivi che condividono lo stesso principio di funzionamento pur essendo utilizzati per gli scopi più disparati. Due esempi su tutti: il LED e i chip e microchip. Nel primo caso le proprietà fisiche dei semiconduttori sono utilizzati per l'emissione di luce; nel secondo per processare informazioni seguendo istruzioni precise. Come si può capire, la scoperta del diodo ha svolto (e svolge tutt'ora) un ruolo di primaria importanza nell' evoluzione dell'informatica: la capacità di creare diodi – e quindi circuiti elettrici – sempre più piccoli ha permesso di miniaturizzare i processori dei mainframe prima e dei personal computer dopo, favorendo la diffusione commerciale dei PC. Il Cnr, in collaborazione con la Scuola Normale di Pisa, ha messo a punto una nuova tipologia di diodo, che sfrutta il calore anziché l'elettricità: il diodo termico.
Se la scoperta, pubblicata sulla rivista Nature nel maggio 2015, dovesse avere degli sviluppi pratici oltre che scientifici, si potrebbe mettere da parte l'elettronica a favore della caloritronica (nella prima il moto degli elettroni è ottenuto applicando una differenza di potenziale elettrico al circuito; nella seconda gli elettroni sono mossi grazie alla semplice differenza di temperatura tra gli estremi del circuito).
Come funziona il diodo termico
Così come nel diodo elettronico il flusso di corrente scorre solamente in un verso e non in quello opposto, nel diodo termico il calore fluisce solo verso uno dei due poli e non in direzione inversa. L'effetto fisico è stato ottenuto da un gruppo di ricerca del Comitato nazionale delle ricerche e della Normale di Pisa in un dispositivo costituito da metalli e superconduttori.
Per temperature prossime allo zero assoluto (o “Zero Kelvin”, -273 gradi centigradi circa), il calore è trasmesso grazie al flusso di elettroni e non per mezzo delle vibrazioni delle molecole costituenti un dato materiale: governando il flusso di elettroni, dunque, si può governare e indirizzare anche il flusso di calore. Il cuore del diodo è composto da un elettrodo realizzato con materiale superconduttore cui è unito un metallo che funziona da via di fuga per il calore. In questo modo, quando una delle due estremità del bipolo termico è riscaldata, il calore fluisce ed è trasmesso verso l'estremità opposta; nel caso in cui, invece, sia riscaldata l'estremità sbagliata del diodo, il calore si disperde tramite le vie di fuga e non filtra fino all’estremità opposta del circuito. A temperature prossime allo zero assoluto, ha fatto notare Francesco Giazotto (capo del team di ricerca del Cnr), la corrente che scorre in un senso è superiore di circa 140 volte rispetto a quella che fluisce nel senso opposto.
I possibili utilizzi
La possibilità di controllare il calore così come si controlla la corrente elettrica apre la strada a molte applicazioni pratiche. Fermandosi al solo campo dell'informatica, ad esempio, si potrebbe arrivare a realizzare un computer nel quale lo scambio di informazioni è ottenuto per mezzo di circuiti termici e non dal classico circuito elettrico. Ciò permetterebbe di far viaggiare i dati “muovendo” il calore, ottenendo una macchina capace di raffreddarsi con estrema efficienza limitando al minimo lo spreco di energia necessaria al suo funzionamento.
Gli sviluppi futuri
Il progetto di ricerca che vede impegnati gli scienziati del Cnr e della Normale è nelle sue fasi iniziali. Finanziato con un grant (una sorta di borsa di studio) del Comitato europeo delle ricerche, punta alla formalizzazione dei concetti della caloritronica coerente (così chiamata perché punta a studiare il circuito calirotronico come fosse un sistema quantistico e per questo caratterizzato da uno stato coerente). Al momento il gruppo di ricerca guidato da Francesco Giazotto ha realizzato un diodo termico costituito da un solo materiale superconduttore: il prossimo obiettivo è proseguire lo sviluppo di questo componente (una sorta di diodo 2.0) composto da due materiali superconduttori. In questo modo, spiega lo scienziato italiano, si sarà in grado di controllare in maniera più precisa il flusso calorico creando delle interferenze tra le varie fasi dei materiali.
Controllando il valore dell'interferenza, infatti, i fisici saranno anche in grado di controllare con precisione tutte le caratteristiche del sistema: l’energia, la carica e lo spin; il che permetterebbe di ottenere un’efficienza nel trasferimento delle informazioni di gran lunga superiore rispetto alle funzionalità attuali che utilizzano, per lo stesso scopo, la sola carica elettrica.
