universo ricerca

Nano-fotonica: una nuova rivoluzione? Due congressi ed un progetto nazionale finanziato dall'INFM presso il Dipartimento di Fisica di Lorenzo Pavesi Nell'ambito dell'industria delle telecomunicazioni e della microelettronica, l'optoelettronica, o fotonica, è considerata come uno dei mercati più promettenti e con ampi margini di sviluppo. Le previsioni di crescita sono maggiori del 20% all'anno. Dalla definizione corrente, la fotonica è la tecnologia di sistemi o dispositivi che emettono, modulano, trasmettono o rivelano la luce. Come nell'elettronica gli elettroni sono gli attori, nella fotonica i fotoni (quanti di luce) sono i protagonisti. Come il Novecento ha visto la dominazione della microelettronica, si pensa che il Duemila sarà caratterizzato da una diffusione sempre più vasta della fotonica. Evidenze di questa diffusione si osservano già nell'uso sempre più ampio di fibre ottiche per la trasmissione a lunga distanza, di sistemi laser nell'industria e di tecnologie associate alla bio-medicina, per non parlare poi di apparecchiature sofisticate quali le auto intelligenti basate su rivelatori ottici. Una delle chiavi del successo della moderna microelettronica è stata la capacità di integrare sempre più dispositivi di dimensioni minori in una stessa piastrina di semiconduttore in modo da realizzare economie di scala sempre più vantaggiose: la tendenza recente è quella di integrare in uno stesso chip un intero sistema (CPU, memoria, interfaccia con periferiche). Il semiconduttore usato per tale integrazione è il silicio. Per far fronte alla richiesta di nuove funzionalità in modo sempre più consumer-friendly, si ritiene che anche per la fotonica si debba perseguire la stessa strada seguita per la microelettronica: realizzare circuiti ottici integrati. Esistono varie classi di materiali con funzionalità specifiche che ottimizzano una funzione (i semiconduttori composti per i laser, i materiali vetrosi per guide d'onda o fibre ottiche, i materiali semiconduttori od isolanti per svolgere operazioni). Per realizzare un'interfaccia semplice e funzionale con la microelettronica, sembrerebbe logico utilizzare il silicio come materiale per sviluppare circuiti ottici integrati. Purtroppo, però, il silicio non è un buon emettitore di luce a causa delle sue proprietà fisiche. Aggiungere funzionalità ottiche al silicio mediante la realizzazione di sistemi di silicio di dimensioni nanometriche (10-9 m) è lo scopo dell'attività di un gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica di Trento (Lorenzo Pavesi) in collaborazione con la Divisione Microsistemi (MIS) dell'ITC-IRST (Mario Zen e Pierluigi Bellutti) dove ogni partner entra per le sue peculiarità: fisica dei semiconduttori (Dipartimento di Fisica) e tecnologia dei microsistemi (ITC-IRST). Questa attività, avviata nel 1992 all'interno del gruppo POESIA (Porosity Effects in Silicon for Applications) del Dipartimento di Fisica e a cui un contributo determinante è stato dato dal progetto speciale 1995 dell'Università Spettroscopia Veloce nel Silicio Poroso, è attualmente sponsorizzata da vari programmi della Comunità Europea, del CNR e del Murst. Ulteriore impulso a tale attività di ricerca è la recente notizia che l'Istituto Nazionale di Fisica della Materia (INFM) ha scelto di finanziare con una somma superiore al miliardo come progetto di ricerca avanzata (PRA) il programma coordinato da Lorenzo Pavesi intitolato RAMSES: Radiation AMplification by Stimulated Emission in Silicon nanostructures, e a cui partecipano ricercatori dell'ITC-IRST e delle Università di Catania e Modena. Sempre in questo ambito sono state organizzate due iniziative di carattere internazionale: l'Advanced Research Workshop finanziato dalla NATO e dalla Comunità Europea su Frontiers of nano-optoelectronic systems: molecular-scale engineering and processes, che si è tenuto dal 22 al 26 maggio nella città di Kiev e il simposio che ha avuto luogo a Strasburgo la settimana successiva nell'ambito della European Materials Research Society Spring Meeting su Optoelectronics: materials and technologies for novel optoelectronic devices. Durante questi due convegni sono state discusse le frontiere della nano-fotonica, disciplina che vuole interfacciare l'ottica con la tecnologia delle nano-strutture, le cui dimensioni tipiche sono inferiori alla lunghezza d'onda della luce. La nano-fotonica comprende prodotti già commerciali come i laser a buca quantica o i biosensori ottici. Le linee di ricerca attuali sono essenzialmente tre: confinamento nanometrico della materia (come nei nanocristalli di silicio), confinamento nanometrico della luce (come nei cristalli fotonici o nelle fibre ottiche) e processi fisico-chimici alla scala nanometrica. Per esempio il controllo della crescita epitassiale su scala atomica ha permesso la realizzazione dei laser a cascata quantica dove l'iniezione di un singolo elettrone produce l'emissione laser di una cascata di fotoni. Analogamente sono state create strutture reticolari formate da sequenze controllate di DNA che permettono il controllo delle sue funzioni su scala molecolare. Nella nanofotonica sono presentati tre approcci tecnologici differenti. Il primo si basa sull'evoluzione della microelettronica che a partire da dispositivi discreti con un approccio scaling-down cerca di realizzare dispositivi sulle scale dei nanometri: è la visione di sistemi nano-fotonici basati su strutture ordinate alla scala atomica. L'altro approccio sfrutta uno scaling-up delle proprietà dei singoli atomi, partendo quindi dal controllo di singole molecole che vengono assemblate in strutture sopra-molecolari più complesse, fino a realizzare dispositivi macroscopici. L'ultimo approccio vuole sfruttare la complessità insita nella materia biologica cercando di interfacciarla con la moderna microelettronica: la domanda di fondo è come sfruttare la complessità naturalmente insita nella materia biologica al fine di realizzare dispositivi dalla prestazioni migliori di quelli attuali. È il campo della bio-fotonica e della bio-elettronica. Alla fine dei convegni i congressisti hanno individuato una serie di parole chiave per delineare i filoni di ricerca più promettenti: materiali ibridi organici/inorganici/biologici, confinamento spaziale/quantico/spettrale, auto-organizzazione, complessità e suo controllo, manipolazione a livello del singolo elettrone e del singolo fotone. È facilmente intuibile, quindi, che la nano-fotonica e la nano-scienza in generale richiedono uno sforzo coordinato e interdisciplinare dove ci sia spazio per nuovi concetti e nuovi schemi… basta avere la necessaria creatività! Nelle foto: Una formica ha "catturato" un microchip delle dimensioni di un millimetro quadrato, realizzato nell'Università di Huddersfield (da: "Le Scienze" n. 374 - ottobre 99); la National Taras Shevchenko University e l'apertura dei lavori dell'Advanced Research Workshop a Kiev