La tecnologia del futuro, l'Ateneo in un progetto di ricerca internazionale su dispositivi fotonici

La creazione di una nuova generazione di dispositivi con prestazioni finora impensabili in termini di efficienza, stabilità e versatilità. È la fotonica applicata a dispositivi nanometrici e un gruppo di ricercatori dell’Università di Firenze partecipa a un progetto triennale di ricerca strategico finanziato dall’Unione europea per superare i limiti delle attuali tecnologie elettroniche. A coordinare il gruppo fiorentino è Massimo Gurioli, professore associato di Fisica della materia e responsabile del gruppo di ricerca sulle nanostrutture e nanofotonica del Dipartimento di Fisica e del Laboratorio Europeo per la Spettroscopia non Lineare (LENS).

Professore, perché l’Unione europea ritiene la fotonica un filone strategico della ricerca?

Perché come branca della fisica si è sviluppata negli ultimi decenni ma le sue molteplici applicazioni sono già ovunque intorno a noi, dalle comunicazioni alla sanità, dalla lavorazione dei materiali all’illuminazione domestica, dal fotovoltaico all’uso dei lettori DVD fino agli smart phone. Il potenziale completo della fotonica inizia solo ora a manifestarsi, il suo impatto sarà altrettanto rivoluzionario di quello che l’elettronica ha avuto nello scorso secolo.

Il nostro progetto, intitolato CARTOON - CARbon nano Tube phOtONic devices on silicon -, mira a definire una nuova strategia nel campo della fotonica e della optoelettronica (cioè la branca che studia i dispositivi elettronici che interagiscono con la luce e le loro applicazioni), attraverso l’utilizzo di nanotubi di carbonio come emettitori e rivelatori nel vicino infrarosso. In estrema sintesi, vogliamo realizzare nano dispositivi che combinino fotonica ed elettronica in un solo chip, per migliorarne le prestazioni.

 Entriamo nel dettaglio. Qual è il punto di partenza?

Il silicio, che è attualmente il materiale di eccellenza per le tecnologie elettroniche su chip. Quindi è fondamentale integrare dispositivi fotonici ed elettronici su uno stesso chip di silicio. Questa integrazione è studiata in dettaglio da diversi anni. Strutture a guida d’onda o risonatori ottici che utilizzano silicio e suoi composti come la silice hanno mostrato ottime proprietà fotoniche nella regione spettrale di interesse per le telecomunicazioni in fibra ottica con lunghezze d’onda da 1.25 µm a 1.65 µm. Tuttavia, il silicio è un semiconduttore a gap indiretta, il che significa che le sue proprietà non sono adatte alla realizzazione di dispositivi che debbano emettere luce.

Come farete a superare i limiti dei chip di silicio?

Generalmente i migliori emettitori a stato solido, sia LED che laser, sono realizzati utilizzando composti di semiconduttori del III e V gruppo come l’arsenurio o il nitruro di gallio, l’arsenurio o fosfuro di indio (GaAs, GaN, InAs, InP), mentre ottimi rivelatori nell’infrarosso sono realizzati con il germanio. È necessario quindi integrare diverse tipologie di materiali per ottenere tutti i possibili dispositivi optoelettronici, necessari alla combinazione di fotonica ed elettronica in un singolo chip. Ad oggi la difficoltà di integrare su di un’unica piattaforma sorgenti laser, modulatori ottici, guide d’onda, risonatori ottici ed infine fotorivelatori è un fattore limitante per l’utilizzo della fotonica come strumento per migliorare le attuali prestazioni dei circuiti optoelettronici.

 E i risultati?

Il principale avanzamento al quale lavoriamo è lo sviluppo di componenti optoelettronici che integrano i nanotubi di carbonio con il silicio. Tale integrazione finora non è stata studiata né realizzata e potremo affrontarla  grazie a una sinergica cooperazione fra gruppi leader nel settore, sia dal punto di vista sperimentale, che tecnologico, che teorico.

Il progetto prevede di realizzare tre strutture modello di tutta l’optoelettronica su silicio: un rivelatore a guida d’onda nell’intervallo di lunghezze d’onda 1.3-1.6µm; dei modulatori ottici di tipo elettro rifrattivo (basati sull'effetto Kerr) o elettro assorbitivo (basati sull'effetto Stark); dei laser e LED con iniezione elettrica.

Ciascuno di questi prototipi sarà un passo avanti di assoluta rilevanza e innovazione nel campo della nanofotonica, cioè della fotonica applicata a dispositivi nanometrici. In una visione a lungo termine i risultati che ci aspettiamo comporteranno il superamento delle limitazioni intrinseche del silicio in optoelettronica e permetteranno lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi con prestazioni largamente superiori a quelle attuali.

Come partecipa l’Ateneo al progetto e chi sono gli altri partner?

Il progetto è una collaborazione tra l’Institute of Fundamental Electronics - un’unita di ricerca fra CNRS e Université Paris Sud - l’Institute for Materials Science presso la Technische Universitaet Dresden, il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’ Università di Firenze e il Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives francese. Il progetto è stato finanziato per circa 1.855.000 euro di cui 365.000 destinati alle attività che svolgeremo presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia  in sinergia con il Laboratorio di Nanostrutture e Nanofotonica del LENS. Del gruppo fiorentino fanno parte Anna Vinattieri, professore associato di Fisica sperimentale, e Francesca Intonti, ricercatrice di Fisica della materia (da destra a sinistra con Gurioli, nella foto).

Che impatto avranno le innovazioni che nasceranno da ricerche come la vostra?

Sono destinate a rivoluzionare molti aspetti della nostra vita. In ambito sanitario ci forniranno nuovi metodi per diagnosticare, trattare e anche prevenire le malattie. Nell’industria manifatturiera la lavorazione laser dei materiali sarà un prerequisito fondamentale per produrre a basso costo. Le tecnologie fotoniche supereranno i limiti dell’elettronica nei computer e le comunicazioni entreranno nell’era dei terabit con un enorme aumento della capacità di memoria e di trasmissione dei dati. È già storia attuale l'impatto delle sorgenti di luce a stato solido per l'illuminazione domestica, che in un futuro molto prossimo sostituiranno completamente le altre tipologie di lampade con un risparmio energetico di almeno il 50%.

Quali sono i numeri dello sviluppo tecnologico derivante dall’utilizzo della fotonica?

La nanofotonica, in Europa e in Italia, è cresciuta da settore di nicchia a tecnologia innovativa fino a divenire un settore industriale dominante nel futuro. Il mercato globale della fotonica è a oggi circa 300 miliardi euro. L’Europa ha una posizione strategica con una fetta del 20% in totale, fino al 40% nel settore dell’illuminazione. L’industria della fotonica impiega circa 300.000 persone direttamente e crea globalmente circa 30 milioni di posti di lavoro. Il progetto CARTOON contribuirà in modo diretto a rafforzare le industrie e lo sviluppo tecnologico in Europa nel settore emergente dei dispositivi e sistemi fotonici.

(sd)