Copertina
Autore Federico Capasso
Titolo Avventure di un designer quantico
EdizioneDi Renzo, Roma, 2005, Dialoghi Scienza , pag. 70, ill., cop.fle., dim. 145x210x8 mm , Isbn 978-88-8323-105-6
LettoreCorrado Leonardo, 2005
Classe biografie , scienze tecniche , fisica , universita'
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Indice


I primi passi                                              9
Verso gli Stati Uniti                                     15
L'epitassia a fasci molecolari e l'ingegneria delle bande:
    i primi lavori                                        22
La rivoluzione dei materiali artificiali:
    le nanotecnologie e il laser a cascata quantica       28
L'effetto Casimir e la micromeccanica                     38
Il management della ricerca                               42
Ricerca di base e tecnologia                              46
L'influenza di Internet e delle comunicazioni globali     49
Una panoramica sulla situazione scientifica italiana      57
All'Università di Harvard                                 63

Riferimenti bibliografici                                 67

 

 

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I primi passi


Assorbiti dal frenetico vivere quotidiano, raramente ci fermiamo a riflettere sulla nostra storia personale e, se lo facciamo, non riusciamo quasi mai a darle un senso logico, né ci curiamo di capirne a fondo le ragioni. A dire il vero non so se si tratta solo di una questione di tempo. Forse c'è dell'altro. Ciò comunque non vuol dire che non penso mai alla mia fanciullezza, alla mia famiglia o alle scelte che mi hanno portato a seguire un determinato percorso di studi anziché un altro. Ma il più delle volte si tratta di pensieri passeggeri, occasionali, legati a un qualche evento oppure a un incontro.

Ora, invece, mi si dà l'opportunità e la ragione per parlare di me stesso, la qual cosa mi fa senza dubbio piacere. Ho accettato anche perché raccontare le mie esperienze di ricercatore forse potrà essere di qualche utilità a giovani che aspirano a seguire una carriera scientifica. Alcuni di loro possono infatti cadere nell'erronea convinzione che, per raggiungere traguardi significativi, ci voglia necessariamente una vita "importante" alle spalle. E invece non sempre è così. Il più delle volte si procede per passi piccoli e apparentemente insignificanti, magari che nulla sembrano avere a che fare con la meta finale. Mi sono ritrovato a chiedermi se fin da bambino "qualcosa", in me, avesse già deciso e capito quale strada avrei intrapreso.

Ebbene, sembrerà strano, ma sin dall'età di cinque o sei anni mi era chiaro che sarei diventato uno scienziato.

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utile soffermarsi un attimo sulle possibili future applicazioni mediche del laser a cascata quantica, quali la diagnosi precoce di alcune malattie, come l'ulcera. Il paziente dovrà semplicemente soffiare in un contenitore attraversato dal fascio laser, che rivelerà se nel suo alito c'è l'ammoniaca prodotta dal batterio dell'ulcera noto come helicobacter pilori. Tutto questo accadrebbe ben prima che si manifestino i disturbi gastrici, con un esame altamente selettivo in grado di fornire risposte istantanee e soprattutto in modo non invasivo. Un sistema simile potrebbe servire, utilizzando lunghezze d'onda diverse, anche per la diagnosi del tumore del colon e del diabete.

importante sottolineare che lo strumento teorico dell'ingegneria delle bande è la meccanica quantistica: quella teoria fisica, nata tra il 1924 e il 1926, senza la quale una comprensione unitaria e quantitativa dell'universo, come quella attuale, dalle particelle elementari e dagli atomi fino alle stelle e alle galassie, non sarebbe possibile. uno dei motivi per cui molte volte, parlando di ingegneria dei nuovi materiali e dei suoi dispositivi, viene usato anche il termine di "quantum design". In questo senso mi considero appunto un designer quantico!

Le possibili strutture (materiali e dispositivi) realizzabili in questa maniera sono moltissime, sostanzialmente limitate solo dalla nostra immaginazione e da considerazioni di tipo pratico. In altre ricerche sperimentammo transistor in cui la composizione del materiale nella base variava linearmente con la distanza, impartendo agli elettroni una velocità più alta che in un materiale omogeneo. Questo tipo di transistor, realizzato con leghe di silicio e germanio, sta ora trovando largo impiego nell'elettronica veloce per le telecomunicazioni.

Uno degli effetti quantici più paradossali, cioè in contraddizione con l'esperienza quotidiana, è "l'effetto tunnel", in virtù del quale un elettrone, non avendo abbastanza energia cinetica per sormontarlo, può letteralmente attraversare un "muro" di materiale interposto. Quando lo spessore del muro è di pochi nanometri, come nel caso dei film sottili di materiale semiconduttore sintetizzati con la tecnica MBE, la probabilità che si verifichi un effetto tunnel diventa assai elevata. Mi resi conto che questo fenomeno poteva essere utilizzato per una nuova classe di dispositivi, tra cui nuovi transistor e laser. Il laser a cascata quantica rappresenta appunto uno degli impieghi più interessanti dell'effetto tunnel. Dal diagramma di energia del laser a cascata quantica (fig. 9) si vede infatti che gli elettroni vengono iniettati per effetto tunnel nel livello di energia 3, da cui decadono emettendo il fotone laser.

Un caso molto interessante di effetto tunnel è il cosiddetto effetto tunnel risonante, in cui un elettrone attraversa un pozzo quantico, quasi come se le barriere non esistessero, se la sua energia corrisponde a quella di uno dei livelli di energia del pozzo! Utilizzai questo fenomeno per dimostrare una nuova classe di transistor, cosiddetti a molti stati. Un transistor convenzionale ha solo due stati, nel senso che può condurre corrente (stato on) o meno (stato off). Questo è alla base di tutta l'elettronica digitale che si basa quindi su di una logica binaria.

Il transitor a effetto tunnel risonante può invece condurre corrente in molte maniere (corrispondenti a stati on/off diversi). Questi diversi stati corrispondono ai diversi livelli di energia di un pozzo quantico o, in uno schema più pratico, ai livelli di energia di pozzi diversi. La corrente di uscita del transistor ha quindi vari picchi al variare del segnale d'ingresso del transistor. Mostrammo che con questo tipo di transistor e utilizzando quindi una logica non binaria, ma a più livelli, si poteva realizzare tutta una classe di circuiti a complessità molto ridotta rispetto all'uso di transistor convenzionali. Anche se questo tipo di transistor non ha avuto impatto commerciale, ha indubbiamente aperto nuovi orizzonti di ricerca, sia nella circuitistica che nell'elettronica molecolare, risvegliando anche l'interesse nella cosiddetta logica a molti valori.

L'impatto dell'ingegneria dei materiali si è fatto sentire anche sulla fisica fondamentale degli stati condensati, un contesto apparentemente lontano dalle applicazioni. Nel 1978 due miei colleghi dei Bell Laboratories, Horst Stormer e Dan Tsui, mostrarono come, sotto opportune condizioni, all'interfaccia di due semiconduttori cresciuti con la MBE si può formare uno strato sottilissimo (di spessore nanometrico) di elettroni. Stormer e Tsui scoprirono che, a bassissime temperature e in presenza di un campo magnetico perpendicolare allo strato di elettroni, questi ultimi formano un "liquido" di particelle cariche, con carica frazionaria (un terzo di elettrone, due terzi e così via) invece che intera. Per la scoperta e la teorizzazione di questo nuovo stato della materia, Stormer, Tsui e Robert Laughlin, il teorico che spiegò il fenomeno, ricevettero il Premio Nobel nel 1998. da notare che questa stessa eterostruttura, nella quale è stato scoperto il nuovo fenomeno, è stata applicata a un transistor a bassissimo rumore, ormai universalmente utilizzato nei telefonini!

Insomma, nell'ambito della fisica e dell'elettronica dello stato solido, stiamo entrando a vele spiegate nell'era dei materiali artificiali, man-made e intelligenti, ossia disegnati per una particolare applicazione (dispositivo o sistema). Come sanno bene i chimici, questa era l'hanno in realtà inaugurata loro, con l'invenzione della plastica e di tanti altri materiali "disegnati", entrati in pieno nella vita di ogni giorno da ormai molto tempo. Gli orizzonti scientifici e tecnologici aperti da questa corsa verso materiali sempre più complessi e strutture sempre più piccole, che oggi vengono chiamate nanotecnologie, sono illimitati e sono caratterizzati da una sinergia sempre più intensa tra fisica, chimica e biologia. Sinergia che sta portando a un rafforzamento interdisciplinare senza precedenti.

Uno degli esempi piu interessanti di queste nuove interazioni tra discipline tradizionali ci viene offerto dalle ricerche sul trasporto degli elettroni in strutture, quali i nanotubi di carbonio, il DNA e in altre molecole organiche. La speranza è quella di realizzare, anche se in un futuro abbastanza lontano, un'elettronica "molecolare". Nel contempo, si sono sviluppate tecniche per osservare e manipolare atomi e molecole uno alla volta, per esempio attraverso l'uso del microscopio a effetto tunnel (premiato anch'esso col Nobel), di quello a forza atomica e di tanti altri strumenti derivati da questi. Si tratta di applicazioni che stanno accelerando in maniera straordinaria questa corsa verso l'ignoto.

forse un "folle volo", il nostro? Per certi versi sì, nel senso che la forza trainante di questa corsa vertiginosa è, è sempre stata e sempre sarà, in questo come in altri campi, la curiosità e l'ambizione dei ricercatori. Se c'è una lezione che ho imparato dopo tanti anni di ricerca e di management è la futilità di qualsiasi tentativo di prevedere l'impatto tecnologico, e quindi sociale, delle nuove ricerche e delle nuove invenzioni. Il ricercatore stesso, la maggior parte delle volte, non sa quali svolte prenderanno i suoi studi. Immaginatevi dunque se i pianificatori della ricerca, i manager e i politici potrebbero mai fare di meglio! Tra l'altro la tecnologia è ancora meno prevedibile della scienza, dato che il suo successo dipende fortemente da fattori economici e politici e dall'esistenza o meno di barriere psicologiche alla sua accettazione.

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Ricerca di base e tecnologia


La mia esperienza ai Bell Laboratories mi ha portato a non credere a una distinzione netta tra ricerca di base e ricerca applicata. Tale distinzione è una concezione che origina dal positivismo e in particolare dal filosofo francese Auguste Comte, come ha spiegato lucidamente il Premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes, grande fisico noto per i suoi studi fondamentali sulla fisica degli stati condensati, tra cui i superconduttori, i cristalli liquidi e i polimeri, spesso motivati da problemi applicativi. Comte aveva addirittura creato una classifica delle varie discipline scientifiche in cima alla quale era la matematica, ultima la chimica, che a suo parere quasi non aveva il diritto di chiamarsi scienza! Inoltre, tutta una serie di discipline sperimentali importanti non erano neanche menzionate. Come dice De Gennes: "Il pregiudizio di Comte corrompe oggi stesso l'insegnamento delle scienze, le discipline scientifiche, e gli stessi scienziati. Contiene anche il seme del disprezzo per il lavoro manuale".

In Italia questo pernicioso modo di pensare si è manifestato tra i filosofi idealisti, Croce e Gentile in particolare, e si è poi riflesso su buona parte della cultura italiana dal Novecento in poi, data l'influenza enorme di questi due pensatori sulla scuola italiana. Questo contribuì, per decenni, a eclissare la cultura sperimentale, nata col Rinascimento, e a indebolire l'insegnamento delle scienze e la ricerca in Italia. Non a caso fino a poco tempo fa nei licei italiani mancava del tutto o quasi il lavoro in laboratorio.

La contrapposizione tra ricerca di base e applicata è da considerarsi un anacronismo, dato che i risultati di maggiore impatto sempre più spesso vengono ottenuti in settori interdisciplinari e molti di questi hanno una forte componente "applicata". Si tratta di strade "antiparallele" che si rafforzano a vicenda, in un processo senza fine, che è in buona parte responsabile dell'aumento esponenziale di invenzioni e scoperte degli ultimi cinquanta anni. Con questo intendo dire che una scoperta cosiddetta fondamentale ha spesso ispirato sviluppi tecnologici, quali l'invenzione di nuovi strumenti, che a loro volta hanno portato ad altre scoperte, in una crescita esponenziale di scienza e tecnologia. Il grande fisico olandese Hendrik Casimir, direttore per tanti anni dei laboratori di ricerca della Philips, ha proprio parlato, nella sua affascinante autobiografia scientifica, della spirale della scienza e della tecnologia.

Dire quindi che l'innovazione scientifica sia sempre alla base dell'innovazione tecnologica e che la tecnologia segua sempre la scienza sono luoghi comuni da sfatare. Sono immagini incomplete, il risultato di un mito creato dai filosofi della scienza, che di scienza spesso capiscono poco. Secondo alcuni di questi, prima ci sono le scoperte di base, poi le applicazioni e, infine, quel che davvero conta sono le rivoluzioni concettuali. Ad esempio, la meccanica quantistica è stata una grande rivoluzione concettuale. Ma è bene rendersi conto che la tecnologia e gli strumenti sono altrettanto importanti e, a loro volta, molto spesso permettono delle rivoluzioni concettuali. Scienza e tecnologia camminano su percorsi "antiparalleli" con continui feedback. La rivoluzione concettuale di Galileo ci fu, non perché egli avesse inventato un metodo scientifico e questo è quanto ci hanno insegnato i testi di filosofia (lo dico polemicamente) ma perché fabbricò e usò il telescopio. Senza telescopio non ci sarebbe stata nessuna rivoluzione galileiana. Ancora oggi, l'enorme sviluppo dell'astrofisica e lo studio di galassie lontane miliardi di anni luce sono rese possibili dal telescopio orbitante Hubble. E finalmente anche i filosofi della scienza cominciano ad accorgersi che lo sviluppo di una certa strumentazione scientifica è cruciale.

vero che nuove conoscenze fisiche di base hanno portato alla costruzione di nuovi strumenti, ma è anche vero il contrario. Transistor e laser sono due esempi. Il laser ha provocato in chimica dei progressi fondamentali: oggi possiamo studiare le reazioni chimiche passo per passo, su tempi di qualche femtosecondo (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo). Per questi studi recentemente è stato dato il Premio Nobel al chimico egiziano Ahmed Zewail.

Bisogna anche dire che le distinzioni tra discipline (chimica, fisica, biologia, etc.) sono in buona parte di origine storica, ossia sono collegate alla necessità di organizzare il sapere in maniera gestibile e alla nascita dell'università moderna con la sua divisione in dipartimenti specializzati in particolari branche del sapere. La Natura, però, non fa distinzioni tra fenomeni fisici, chimici o biologici. Interpreto positivamente l'abbassamento, almeno nelle migliori università qui in America, delle barriere tra diversi dipartimenti, che sono alla ricerca di nuovi linguaggi comuni, resi sempre più necessari dalla spinta all'integrazione cui prima accennavo.

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