Trento, dicembre 2000

Gli scienziati dell'Università di Trento e di Catania hanno scoperto che è possibile amplificare la luce con il silicio. In altre parole che, in linea di principio, è possibile fabbricare un laser a base di silicio.

Nell'anno in cui il premio Nobel della Fisica è stato assegnato a tre scienziati che hanno posto le basi tecnologiche per lo sviluppo di Internet e delle telecomunicazioni ottiche da una parte e per lo sviluppo dei calcolatori e della microelettronica dall'altra, un gruppo di ricercatori italiani - diretti dai professori Lorenzo Pavesi di Trento e Francesco Priolo di Catania - ha realizzato una scoperta che potrebbe rivoluzionare sia la microelettronica che Internet.

Immagine 1 - Diagramma schematico della tecnica usata a Catania per formare i nanocristalli di silicio. Ioni di silicio vengono accelerati e impiantati in un substrato di ossido termico o di quarzo. In seguito ad un riscaldamento ad altissima temperatura, gli atomi di silicio agglomerano formando palline nanometriche. La foto al microscopio elettronico a trasmissione mostra una di queste palline. La barra ha le dimensioni di 1.5 miliardesimi di metro. (fonte: C. Spinella del CNR-IMETEM di Catania)

La loro scoperta potrebbe infatti permettere di:

1. usare la stessa tecnologia sia per le telecomunicazioni ottiche che per la microelettronica
2. rendere la diffusione del laser come semiconduttore ancora più pervasiva mediante una drastica riduzione dei costi
3. integrare i laser con i circuiti microelettronici.

Questo risultato, costantemente cercato nella comunità scientifica negli ultimi dieci anni, è stato possibile perché i ricercatori hanno ridotto le dimensioni del silicio fino a fargli raggiungere la forma di palline piccolissime (milionesimi di metro, cioè nanometri) contenenti solo poche centinaia d'atomi.

A queste dimensioni la fisica classica non funziona più ed entra in gioco la fisica quantistica. Proprio le proprietà quantistiche assunte dalla materia su questa scala hanno permesso di ottenere l'amplificazione della luce. Un raggio luminoso è stato fatto passare attraverso una piastrina contenente parecchi milioni di miliardi di queste palline. Dopo il passaggio si è misurato un raggio luminoso molto più forte di quello all'entrata.

Normalmente questo non succede: la luce viene assorbita dal materiale attraverso cui passa per cui il raggio luminoso, dopo la piastrina, avrebbe dovuto essere più debole. L'aumento d'intensità della luce ne dimostra l'amplificazione.

Le proprietà di amplificazione della luce sono alla base della realizzazione dei laser a semiconduttore. La dimostrazione di tali proprietà risale al 1962 ma la costruzione e la commercializzazione su vasta scala di attrezzature basate sul raggio di luce potenziato è cominciata solo vent'anni più tardi, nei primi Anni Ottanta.

Immagine 2 - Diagramma schematico del chip del futuro dove sulla piastrina di silicio verranno integrate altri dispositivi che si basano su principi fisici diversi. A Trento stiamo sviluppando un progetto di optoelettronica per aggiungere funzionalità ottiche al chip di silicio. (fonte: Università di Trento)

Oggi i laser a semiconduttore sono la colonna portante di Internet, delle telecomunicazioni attraverso fibre ottiche, sono in tutti i lettori di CD, sono usati nella diagnostica e terapia medica: è difficile trovare un campo tecnologico nel quale non siano utilizzati.

Ma i laser a semiconduttore sono fatti di un materiale diverso da quello usato nella microelettronica, che è il silicio, a causa delle proprietà fisiche di quest'ultimo: il silicio infatti assorbe la luce che lo attraversa! Ed è per questo fatto si sono dovute sviluppare due tecnologie diverse per produrre da un lato i laser a semiconduttore e dall'altro i circuiti microelettronici.

La scoperta dei ricercatori trentini e catanesi dimostra la possibilità di realizzare laser al silicio, ovvero di utilizzare una sola tecnologia per fabbricare sia i circuiti microelettronici che i laser. Questo permetterà in futuro di integrare dei laser al silicio all'interno dei nostri computer e far si che i diversi chip comunichino fra loro attraverso raggi laser. In sostanza avremo computer ancora più potenti e molto più veloci, il tutto grazie ad uno scoperta che porta un marchio italiano doc.

Un ulteriore vantaggio viene dal fatto che i materiali usati oggigiorno per i laser sono molto costosi e difficili da trovare. Per contro il silicio è poco caro e molto diffuso. Le nostre spiagge sono fatte essenzialmente di silicio: è infatti dalla sabbia che si ricava il silicio.

I risultati conseguiti dagli scienziati italiani, che viene resa ufficialmente nota oggi, ha già avuto una forte eco nel mondo scientifico a causa, soprattutto, dell'interesse dimostrato per la possibilità di realizzare il "laser al silicio" dalla prestigiosa rivista scientifica internazionale "NATURE". Nel suo numero di novembre (da oggi in distribuzione) "Nature" dedica un articolo ai risultati del lavoro dei professori Pavesi e Priolo e li illustra ampiamente alla comunità scientifica.

Inoltre il professor Priolo è stato invitato a presentare la scoperta al simposio sulla Scienza dei Materiali che si terrà, con la partecipazione di un migliaio di specialisti del settore, lunedì prossimo a Boston. Il professor Pavesi, dal canto suo, è stato invitato alla conferenza invernale della Società internazionale di Ingegneria Elettronica e Fotonica che si terrà a La Jolle (California) il prossimo gennaio.

E' interessante notare che la scoperta Pavesi-Priolo è il risultato di uno sforzo di ricerca congiunto tra i Dipartimenti di Fisica delle Università di Trento e di Catania, finanziato principalmente dall'Istituto Nazionale di Fisica della Materia (INFM). Ed è doveroso ricordare che è il principale risultato di un'attività originata, una decina d'anni fa, dal professor S. U. Campisano di Catania, volta a studiare le proprietà optoelettroniche del silicio, economicamente supportata da progetti europei, dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) nell'ambito del progetto finalizzato materiali per l'elettronica (MADESS), dal ministero dell'Università e della Ricerca Scientifica e Tecnologica (MURST).
Dal canto suo la comunità europea, nell'ambito del suo quinto "Progetto quadro", si è detta interessata a considerare un progetto di sviluppo di laser al silicio.

Immagine 3 - Lorenzo Pavesi al lavoro sull'apparato usato per misurare l'amplificazione ottica in silicio (fonte: Università di Trento)

L'Università di Trento, in collaborazione con la Provincia Autonoma di Trento, ha avviato recentemente una grossa attività, sia didattica che di ricerca, nel campo delle telecomunicazioni e questa scoperta è la punta di diamante di tale attività.

L'università di Catania, che collabora da anni con la ST-Microelectronics (la maggior industria italiana del settore, ottava per fatturato nel mondo), ha dato vita ad un circolo virtuoso, fondato sulla sinergia fra industria ad alta tecnologia e università, che ha portato a risultati di sicuro prestigio. Tali da far parlare di Etna Valley, un fenomeno in netta controtendenza rispetto ai problemi storici del Sud Italia.

Immagine 4 - Francesco Priolo nel suo laboratorio di impiantazione ionica. Priolo sta lavorando con un acceleratore di ioni di silicio. (fonte: Università di Catania)

Nell'anno in cui il presidente Clinton ha dichiarato che le nanotecnologie rappresentano il futuro per il progresso degli stati tecnologicamente avanzati ed ha annunciato ingenti investimenti per sostenerne lo sviluppo, dall'Italia, con uno sforzo congiunto che lega idealmente da Nord a Sud la Penisola, arriva la dimostrazione che il nostro Paese può competere con i più prestigiosi laboratori del mondo.
E che, talvolta, può risultare vincitore.

Per un maggiore approfondimento sulla tematica, si legga: Domande e risposte a Lorenzo Pavesi

La scoperta che si può costruire un amplificatore di luce al silicio apre la strada alla possibile realizzazione futura di un laser al silicio.
Questo dispositivo sarà l'elemento case di un'optoelettronica integrata completamente con la moderna microelettronica.

Su quest'attività, che l'Università di Trento ha già finanziato congiuntamente con l'INFM, intendiamo investire nuove risorse, in quanto area di eccellenza con grandi possibilità di ricadute industriali.

La ricerca è stata condotta congiuntamente con un gruppo di studiosi dell'Università di Catania, con i quali vi è una lunga tradizione di cooperazione iniziata nei primi anni '90.

E' importante sottolineare che il successo di entrambi i gruppi di ricerca è dovuto all'integrazione tra Università e istituti di ricerca applicata e industriale.
Come si parla dell'"Etna Valley", così a Trento l'attività in optoelettronica si giova della collaborazione dell'Istituto Trentino di Cultura (ITC - irst) nel campo della fisica e tecnologia dei semiconduttori.
Recentemente, con la partenza del Corso di Laurea in Fisica Applicata e in Ingegneria delle Telecomunicazioni si è sentita l'esigenza di promuovere un centro di ricerca avanzato in fotonica che raccogliesse i vari centri di ricerca operanti in Trentino su questa problematica: l'Università di Trento, il centro CEFSA del CNR , l'ITC-irst.

Sulla base dei risultati ottenuti, il gruppo di ricerca proporrà nei prossimi mesi, un progetto di sviluppo di un laser al silicio, coinvolgendo aziende del settore.

Siamo convinti che questo sia un esempio concreto di un rapporto di qualità tra i centri di eccellenza della ricerca universitaria e della ricerca industriale.

Catania - La scoperta dei ricercatori dell'Università di Catania guidati dal professore Francesco Priolo, condotta in perfetta sintonia e collaborazione con i colleghi dell'Università di Trento - ha sottolineato il rettore Ferdinando Latteri - rappresenta per il sistema della ricerca italiana ed in particolare per gli studiosi del nostro Ateneo, la conferma che attualmente esistono, anche al Sud ed in Sicilia, punte di eccellenza in grado di offrire alla ricerca di base ed a quella applicata risultati preziosi.

In termini di progresso scientifico ma anche di ricaduta per lo sviluppo del territorio.
In particolare, occorre sottolineare che l'Università di Catania da tempo intrattiene rapporti di strettissima collaborazione con alcune delle realtà imprenditoriali ad alto contenuto tecnologico (ad esempio STMicroelectronics) e con le strutture dei maggiori centri di ricerca (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Cnr-Imetem, Istituto Nazionale per la Fisica della Materia).

Il lavoro sinergico di questi organismi ha già fatto decollare un vero e proprio "distretto dell'alta tecnologia", che funziona da vero e proprio centro d'attrazione, e di volano, per l'ulteriore insediamento di attività imprenditoriali hi-tech.

Immagine 5 - Lorenzo Pavesi responsabile del gruppo di ricerca di Trento (fonte: Università di Trento)

Trento - Lorenzo Pavesi è professore associato di Fisica Generale presso il Dipartimento di Fisica dell'Università degli Studi di Trento e ricercatore dell'Istituto Nazionale per la Fisica della Materia (INFM). Laureato in Fisica nel 1985 con il massimo dei voti e la lode presso l'Università di Trento, ha passato alcuni anni in Svizzera dove ha conseguito il titolo di Docteur ès Sciences al Politecnico Federale di Losanna, per tornare poi a Trento prima come ricercatore e poi come professore associato.

I suoi interessi scientifici hanno riguardato le proprietà ottiche dei semiconduttori e, negli ultimi anni, si sono focalizzati sulla possibilità e sul modo di rendere il silicio un materiale optoelettronico.
Ha iniziato l'attività in fisica dei semiconduttori al Dipartimento di Fisica di Trento; ha fondato laboratori di trattamento del silicio e di spettroscopia ottica ultraveloce e non-lineare; coordina in campo nazionale l'attività sull'emissione della luce dal Silicio per conto dell'INFM; fa parte del consiglio direttivo del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-lineari (LENS) di Firenze.

Ha al suo attivo oltre 150 pubblicazioni ed è autore di 3 libri; ha organizzato molte conferenze internazionali; ha diretto numerosi programmi di ricerca finanziati da varie agenzie nazionali ed europee.

Sposato con Anna, pediatra ospedaliero, è padre di Maria Chiara, Matteo, Michele e Tommaso, nato proprio in questi giorni.

Immagine 6 - Francesco Priolo responsabile del gruppo di ricerca di Catania (fonte: Università di Catania)

Catania - Francesco Priolo è professore associato di Fisica della Materia presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università degli Studi di Catania e ricercatore dell' Istituto Nazionale per la Fisica della Materia (INFM).

Laureato in Fisica nel 1985 con il massimo dei voti e la lode presso l'Università di Catania, ha passato un lungo periodo presso i Laboratori Bell in New Jersey (USA) per tornare in Italia prima come ricercatore e successivamente come professore associato.

I principali campi di ricerca, a carattere sperimentale, hanno riguardato l'impiantazione ionica; la modifica delle proprietà dei materiali a seguito di bombardamento ionico, con particolare riguardo ai semiconduttori ed alla fabbricazione di dispositivi elettronici innovativi; l'optoelettronica a base di silicio.

In questi campi ha costantemente collaborato con la ST Microelectronics che rappresenta la maggior industria italiana in microelettronica.

Autore di oltre 180 pubblicazioni scientifiche, editore di 5 libri, detentore di 2 brevetti, ha organizzato molte conferenze internazionali.
È il rappresentante italiano nei Comitati Internazionali delle serie di conferenze biennali "Atomic Collisions in Solids" (ICACS) e "Ion Beam Modification of Materials" (IBMM) ed è membro del Comitato Esecutivo della "European Materials Research Society" a Strasburgo.

E' stato membro di Giunta Nazionale della Sezione "Semiconduttori e Isolanti" dell'INFM dal 1994 al 1998, anno in cui è stato nominato responsabile del Network Silicio che coordina la ricerca italiana su silicio in ambito INFM.

E' consulente della Commissione Europea sull'optoelettronica a base di silicio.

L'utilizzo del laser è diventato ormai così pervasivo che non esiste ambito, nella ricerca o nella tecnologia, in cui esso non abbia trovato un'applicazione significativa.
Oggi non è più uno strumento riservato solo agli addetti ai lavori: anche l'uomo della strada si avvale della tecnologia laser quando ascolta un CD oppure quando usa una stampante per i computer, quando assiste alla lettura dei codici a barre presenti sui prodotti in commercio, quando usa i puntatori per indicare, quando vede le immagini a tre dimensioni negli ologrammi, quando osserva gli effetti speciali nei concerti rock.
E, mentre in passato si utilizzavano preferibilmente laser a stato solido o a gas, attualmente si sta diffondendo sempre più la tecnologia del laser a semiconduttore.

Analizzando sinteticamente le principali applicazioni, ricordiamo che vanno dai settori della ricerca (nella caratterizzazione dei materiali, nello studio dei plasmi prodotti otticamente, nell'autointrappolamento della luce, nelle applicazioni spettroscopiche e nella misura di costanti fisiche con margini di errore piccolissimi) alle tecniche di comunicazione (miglioramento delle prestazioni delle fibre ottiche), dalla telemetria con radar ottico all'utilizzo in tecniche interferenziali (nella costruzione di precisissimi interferometri), dalla medicina (numerosissime attualmente le applicazioni) alla fotografia ultrarapida e di precisione, dalla microsaldatura alla incisione di precisione nei calcolatori elettronici.

La medicina offre sicuramente interessanti e molteplici possibilità di applicazione della luce laser. I primi utilizzi del fascio laser furono in oftalmologia, soprattutto con funzioni di fotocoagulazione e successivamente per correggere difetti visivi.

L'uso fu poi esteso anche alla chirurgia con notevoli vantaggi: si possono avere interventi indolori, con immediata cauterizzazione di ferite o piaghe, suture emorragiche e resezioni endoscopiche.

In angioplastica il laser è utilizzato per disostruire le arterie. Anche i calcoli renali possono essere frantumati da un fascio laser di opportuna potenza, mentre in oncologia sono utili per curare alcuni tipi di tumori.

La possibilità di ottenere fasci di luce laser altamente coerenti, potenti e di elevata direzionalità è considerata con grande interesse nelle lavorazioni meccaniche di alta precisione, come saldature, forature, forgiature computerizzate, profilature, tagli, ecc.
Proprio per l'elevata precisione operativa, il laser è largamente utilizzato nell'industria elettronica per l'incisione di circuiti stampati. In modo indiretto si sfrutta l'energia fornita dal laser per i trattamenti termici cui vengono sottoposti i diversi materiali.

Recentemente sono stati costruiti degli interferometri in cui, al fascio di luce, viene sostituito il fascio di luce laser. Ciò consente di ottenere misure interferenziali di altissima precisione, di vibrazioni, di variazioni di piccole dimensioni, di irregolarità superficiali, di rotazioni infinitesime.

La riflessione di fasci di luce laser inviata dalla Terra e riflessa dai satelliti permette di definire il profilo orografico della superficie terrestre e i suoi movimenti.
Sullo stesso principio si basa il monitoraggio atmosferico, del grado di inquinamento, della concentrazione e distribuzione dell'ozono.

Anche in topografia si usano i laser come distanziometri e nelle costruzioni si sfrutta la direzionalità del fascio negli allineamenti.

Un laser che emette nell'ultravioletto registra sul compact disc, praticando sulla sua superficie dei forellini di dimensioni microscopiche, l'informazione sonora dopo che questa è stata trasformata in una successione di impulsi.
La lettura avviene con un laser a semiconduttore, e si basa sulla decodifica della luce riflessa.

Sicuramente uno dei campi che suscita oggi maggior interesse, è quello dell'utilizzo della fibra ottica nella trasmissione di informazioni.

Da quando a metà degli anni '70 la fibra ottica fece il suo esordio nel campo delle telecomunicazioni, notevoli e rapidi sono stati i progressi atti a migliorare le sue prestazioni.
Fino ad allora le comunicazioni a distanza venivano trasmesse via cavo sotto forma di serie di impulsi. Si intuì immediatamente che l'utilizzo della fibra avrebbe potuto aumentare notevolmente sia la capacità della trasmissione dei dati e dell'informazione (ossia, la quantità di informazioni trasmessa misurata in bit al secondo) sia la distanza di percorrenza dei segnali.

Le prime fibre in vetro di silice utilizzate riuscivano a trasmettere un gigabit al secondo su distanze di qualche decina di chilometri. Riducendo la dispersione e attenuando il segnale si migliorò la capacità di trasmissione di circa 10 volte.
Nei primi anni '80 utilizzando vetri più puri e sfruttando la luce di laser a semiconduttore per generare il segnale luminoso si arrivò a trasmettere alcune centinaia di gigabit per chilometro al secondo.

Un ulteriore passo avanti si compì qualche anno dopo modificando le caratteristiche del segnale, modulando la frequenza della luce e ottenendo sistemi coerenti dotati di capacità ancora più grandi.
Queste soluzioni si dimostrarono ben presto troppo costose e complesse per poter essere utilizzate in applicazioni pratiche su larga scala.

In questi ultimi anni è stata perfezionata un'intuizione che risale al tempo dell'esordio delle fibre ottiche: quella di drogare la fibra con una terra rara. La terra rara utilizzata allo scopo è stato l'erbio.
Questa tecnica permette di rigenerare il segnale nella fibra stessa consentendo di ottenere capacità di trasmissione dell'ordine di centinaia e decine di migliaia di gigabit per chilometro al secondo.

La velocità di sviluppo di queste tecnologie, l'esigenza di miglioramento, la richiesta di prestazioni sempre elevate rende questo settore tra quelli di maggior interesse e aperti alle sfide del futuro.

Optoelettronica - Un settore della scienza che descrive fenomeni e dispositivi il cui funzionamento si basa sull'elettronica e sull'ottica e in particolare studia quei dispositivi elettronici che possono elaborare segnali luminosi e convertirli in segnali elettrici e viceversa.
I laser, i LED, i fotodiodi e le fibre ottiche sono esempi di dispositivi optoelettronici.

Fotonica - Applicazione della luce, dei fotoni, alla trasmissione dell'informazione, attraverso la propagazione guidata della luce, della sua modulazione e amplificazione, del trattamento ottico delle immagini, della gestione di segnali luminosi, come fasci di fotoni.

Fotone - Particella elementare che rappresenta la minima quantità indivisibile di radiazione elettromagnetica e quindi di luce; si indica anche come "quanto di luce".

Semiconduttore - Materiale generalmente di struttura cristallina, che ha un comportamento elettrico diverso in funzione della temperatura.
Alle basse temperature si comporta più come isolante; a temperature più elevate, come conduttore.
La conduzione elettrica può avvenire sia per il moto degli elettroni sia per lo spostamento delle "lacune", ovvero dei buchi lasciati liberi dagli elettroni e carichi positivamente.
La conduzione di un semiconduttore può essere aumentata drogando il materiale con atomi di valenza diversa (ad esempio il silicio con il germanio o con l'arsenico).

Multipli e sottomultipli di unità di misura - I sottoelencati prefissi riguardano multipli e sottomultipli delle unità di misura cui si riferiscono:
milli = un millesimo di …
micro = un milionesimo di …
nano = un miliardesimo di …
pico = in milionesimo di milionesimo di …
mega = un milione di …
giga = un miliardo di …

Fibra ottica - È fibra di vetro in grado di guidare la luce. È costituita da un nucleo di vetro e da un rivestimento plastico.

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