Le ricerche nel Dipartimento di Fisica Alessandro Volta

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1 Scientifica Acta 3, Special issue, (2009) Le ricerche nel Dipartimento di Fisica Alessandro Volta Dipartimento di Fisica A. Volta, Università degli Studi di Pavia, via Bassi 6, Pavia Fisica Presenta: Lucio Claudio Andreani, In questo lavoro viene presentata una rassegna delle attività di ricerca presso il Dipartimento di Fisica A. Volta dell Università di Pavia. Le ricerche del Dipartimento hanno carattere sperimentale e teorico e riguardano in particolare la fisica della materia condensata e dello stato solido, l ottica e fotonica, l informazione quantistica, la didattica e storia della fisica. Vengono messi in rilievo sviluppi recenti nel campo della nanofisica, della fisica applicata e degli aspetti multidisciplinari. Research activities at the Physics Department Alessandro Volta of the University of Pavia are reviewed. Research at the Department, mainly (but not exclusively) centered around the physics of matter, has both experimental and theoretical aspects and it concerns in particular condensed matter and solid state physics, optics and photonics, quantum information, physics education and history of physics. Recent developments in nanophysics, applied physics and multidisciplinary areas are emphasized. 1 Introduzione Le attività di ricerca del Dipartimento di Fisica Alessandro Volta riguardano principalmente (anche se non esclusivamente) la fisica sperimentale e teorica della materia e in particolare la fisica dei solidi, l ottica e fotonica, l informazione quantistica, la storia e didattica della fisica. L attività sperimentale, che si avvale di una lunga tradizione e che ha condotto a vari sviluppi di frontiera a livello nazionale e internazionale, ruota in larga misura attorno a tecniche spettroscopiche quali la risonanza magnetica e di quadrupolo nucleare (NMR-NQR), la risonanza paramagnetica elettronica (EPR), la spettroscopia Raman, la spettroscopia ottica in un ampio spettro elettromagnetico. Le varie attività sono strutturate in sei laboratori e grandi aree tematiche, come descritto nelle sezioni successive. Verranno inoltre discussi i più recenti sviluppi (spesso di carattere interdisciplinare) di nanofisica e fisica applicata, nonché gli aspetti progettuali e di finanziamento, nell ottica dell evoluzione prevedibile per i prossimi anni. Le collaborazioni menzionate per i singoli gruppi sono quelle con altri Atenei e/o centri di ricerca in Italia e all estero. Vari gruppi del Dipartimento hanno collaborazioni fruttuose e consolidate con gruppi di altri Dipartimenti, sia nell ambito della Facoltà di Scienze MM FF NN sia di altre Facoltà, come i Dipartimenti di Fisica Nucleare e Teorica, Chimica Fisica, Chimica Generale, Chimica Organica, Elettronica, Chimica Farmaceutica, Biochimica, Scienze della Terra, Farmacologia, Neurologia, Chirurgia e altri. 2 Personale Al Dipartimento di Fisica A. Volta afferiscono 9 professori ordinari (PO), 11 professori associati (PA), 9 ricercatori (R), 12 unità di personale con funzioni amministrative (A), tecniche (T), tecnico-informatiche (TI), ausiliarie (AU). L organigramma al 1/1/2009 è riportato in Fig. 1. Fra la data del Convegno di Facoltà e la fine del 2008 sono stati collocati a riposo tre professori ordinari (Gianni Bonera, Lidia Borghi, Emanuele Reguzzoni), dopo una lunga carriera e numerose attività prestate in Dipartimento e in Ateneo, e hanno preso servizio due nuovi ricercatori (Dario Gerace, Samuele Sanna). Al Dipartimento afferiscono inoltre numerosi dottorandi del Dottorato di Ricerca in Fisica, assegnisti di ricerca, borsisti, titolari di contratti per attività di ricerca e/o didattica e/o collaborazione coordinata e continuativa. Inoltre sono ospitati nel Dipartimento ricercatori e tecnico-amministrativi di altre strutture di

2 90 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) Dipartimento di Fisica A. Volta Università degli Studi di Pavia Gennaio 2009 Direttore: L.C. Andreani Vice-direttore: F. Marabelli Segretario amministrativo: M. Bertolotti Addetto locale alla sicurezza: M. Bertocchi Servizi generali: Amministrativi Tecnici e tecnico-informatici Ausiliari M. Bertolotti (A) M. Bertocchi (T) S. Falvo (AU) A. Migliazza (A) P. Guaschi (T) A. Magni (AU) P. Priori (A) A. Vai (TI) E. Valla (TI) NMR-NQR A. Rigamonti (PO) F. Borsa (PO) P. Carretta (PA) M. Corti (PA) L. Nosenzo (PA) S. Sanna (R) M. Moscardini (T) Quantum Information Theory G.M. D Ariano (PO) C. Macchiavello (PA) Raman-EPR P. Galinetto (R) E. Giulotto (R) M.C. Mozzati (T) D. Maghini (T) Teoria della Materia G. Pastori Parravicini (PO) M. Bornatici (PO) L. Andreani (PO) S. Romano (PA) D. Gerace (R) G. Campagnoli (PA) L. Mihich (PA) Spettroscopia Ottica A. Stella (PO) G. Guizzetti (PO) F. Marabelli (PA) M. Geddo (PA) V. Bellani (R) M. Patrini (R) M. Galli (R) Didattica e storia della fisica F. Bevilacqua (PO) A. De Ambrosis (PA) L. Fregonese (PA) L. Falomo (R) U. Besson (R) Fig. 1: Organigramma (personale universitario strutturato) del Dipartimento di Fisica A. Volta al 1/1/2009. Ateneo (Sistema Museale, SILSIS) e di altri enti, quali il CNISM (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze Fisiche della Materia) e il CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche). La partecipazione dei giovani non strutturati alle attività di ricerca del Dipartimento, spesso come attori primari, è essenziale per il successo delle ricerche stesse; d altra parte, la formazione dei giovani alla ricerca e attraverso la ricerca è fra gli obiettivi più importanti del Dipartimento e di tutti i suoi gruppi.

3 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) 91 3 Laboratori NMR-NQR Si svolge nel gruppo una articolata attività di ricerca nel campo della struttura della materia, con particolare riguardo alle transizioni di fase, al magnetismo e alla superconduttività. Le tecniche utilizzate comprendono in primo luogo l NMR-NQR assieme ad altri metodi di indagine microscopica locale quali la µsr (risonanza muonica di spin) e l EPR, tecniche di indagine macroscopica come la magnetometria SQUID (dispositivo superconduttivo a interferenza quantistica) e la calorimetria adiabatica, misure di MRI (risonanza magnetica per immagini). Inoltre si sta sviluppando una tecnica EPR a larga banda con anticavità. Tali tecniche consentono, ad esempio, di derivare il comportamento del parametro d ordine in fasi magneticamente ordinate e superconduttive, di studiare la polarizzazione di spin locale in nanomagneti molecolari, di trarre informazioni sulle eccitazioni a bassa frequenza di sistemi elettronici fortemente correlati e di studiare il comportamento critico dei materiali in prossimità di transizioni di fase. Per quanto riguarda i superconduttori, vengono studiate le proprietà microscopiche di base, le correlazioni magnetiche di spin, le fluttuazioni superconduttive, la dinamica dei vortici, oltre agli effetti di sostituzioni, di granularità e di nanoscala. Sono di interesse anche altri sistemi ad elettroni fortemente correlati, quali conduttori organici a bassa dimensionalità e composti a fermioni pesanti. Nel campo del magnetismo, oltre ai sistemi frustrati 3D (ghiacci di spin) sono attualmente oggetto di studio i sistemi a bassa dimensionalità quali catene 1D e scale di spin, sistemi 2D con drogaggio di carica e di spin. Un altro argomento di notevole importanza è l indagine dei nanomagneti molecolari, riguardo ai fondamenti di magnetismo e di fisica statistica anche con molecole singole (aventi prospettive di applicazione come quantum bit). Vi è inoltre un ampio studio dei mezzi di contrasto per MRI e di sistemi magnetici molecolari per la diagnostica biomedica. La Fig. 2 mostra alcuni esempi di sistemi di interesse nel campo del magnetismo e della superconduttività. In Fig. 2a è mostrata la struttura di un nuovo sistema magnetico frustrato detto spin ice o ghiaccio di spin, che consiste di spin disposti su una struttura di tipo pirocloro in maniera analoga alla disposizione degli atomi di ossigeno e idrogeno in una delle fasi del ghiaccio. Nello spin ice si ha una competizione fra interazioni magnetiche che comporta una forte degenerazione dello stato fondamentale e quindi una entropia macroscopica a temperatura nulla, con notevoli conseguenze fenomenologiche. Le misure di tempo di rilassamento tramite risonanza muonica di spin permettono di risalire allo spettro delle fluttuazioni magnetiche. In Fig. 2b è mostrata l immagine di microscopia a forza atomica di un campione di materiali organici quasi-monodimensionali (nanowires) della classe delle ftalocianine [A x ZnPc (A=Li, Na; Pc=C 32 H 16 N 8 )]. Tali sistemi a bassa dimensionalità sono di interesse per la ricerca della superconduttività in materiali organici e per la presenza di una diagramma di fase molto complesso derivante dalle forti correlazioni elettroniche. La Fig. 2c mostra un esempio di struttura di un nanomagnete molecolare, nella fattispecie una molecola con 8 ioni di Fe 3+. Poiché lo ione Fe 3+ ha uno spin S=5/2, in ragione delle regole di Hund, gli spin della molecola possono allinearsi dando origine a un superparamagnetismo caratterizzato da un momento magnetico estremamente elevato. Le nanoparticelle magnetiche sono interessanti sia per studi di fisica di base, come esempi di sistemi quantistici mesoscopici nei quali possono essere studiate le interazioni magnetiche da principi primi, sia per le applicazioni biomedicali come mezzi di contrasto nella risonanza magnetica per immagini (vedi Sec. 9). Partecipanti: A. Rigamonti, F. Borsa, M. Corti, P. Carretta, S. Sanna, A. Lascialfari (Univ. Milano), S. Aldrovandi (CNR), M. Moscardini Collaborazioni: Istituto Europeo Oncologico, Fondazione Mondino, ISIS Facility, Ames Laboratory, Karlsruhe Institute of Nanotechnology, Boston College, Dresden MPI-CPFS, Università di Genova, Università di Parma, Université Montpellier II, Universidad de Granada, IIT, National Nanotechnology Lab. CNR-INFM, Università di Roma La Sapienza, Bruker Biospin, Bracco, Colorobbia

4 92 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) a) b) c) Fig. 2: Esempi di sistemi studiati nei laboratori NMR-NQR: a) Magneti frustrati: lo Spin ice o ghiaccio di spin, b) conduttori organici: nanowires di ftalocianine, c) nanomagneti molecolari: la molecola di Fe 8 con spin totale S=10. 4 Laboratori Raman-EPR L attività di ricerca a carattere prevalentemente sperimentale con tecniche Raman, micro-raman, EPR, magnetometria SQUID, foto- e termo-luminescenza, misure di correnti foto e termostimolate riguarda lo studio delle proprietà strutturali, elettroniche, magnetiche e ottiche di ossidi misti puri e drogati con elementi di transizione. I materiali studiati sono di interesse applicativo soprattutto nei campi della sensoristica, della spintronica, della fotonica e dell energetica. L attività prevede, in particolare, lo studio di film sottili nanostrutturati di ossidi magnetici diluiti (TiO 2, SnO 2, KTaO 3, SrTiO 3 drogati con metalli di transizione) per applicazioni nella spintronica; spinelli di Ti e Li (conduttori ionici) e ferriti; manganiti di lantanio, anche a strati, con proprietà magnetoresistive; ossidi perovskitici per applicazioni alla fotonica (LiNbO 3, LiTaO 3, K 1 x Li x Ta 1 y Nb y O 3 ). La ricerca viene sviluppata in un ambito multidisciplinare tra la scienza dei materiali, la fisica e la chimica. La strumentazione disponibile viene utilizzata anche per altre attività: caratterizzazione di materiali di interesse industriale quali polimeri e strutture mono e bidimensionali a base di carbonio, quali nanotubi e grafene; datazione di reperti archeologici ceramici; studio tramite spettroscopia microraman di reperti artistici di interesse per i Beni Culturali; studio di infusi cristallini nei vetri industriali. Fra le applicazioni di queste tecniche al campo dell archeologia e dei beni culturali, si può menzionare lo studio tramite spettroscopia microraman dei pigmenti rossi degli affreschi del castello di Lardirago, lo studio EPR di vetri della Certosa di Pavia e la datazione mediante termo-luminescenza (TL) delle tombe emerse durante lo scavo archeologico della cripta della Chiesa di San Felice a Pavia. In quest ultimo caso, il segnale di TL dipende dal numero di elettroni che vengono intrappolati, a causa della radioattività ambientale, nei livelli di impurezza presenti nel gap proibito di energia del materiale e, dopo opportuna procedura di calibrazione, permette di determinare il tempo intercorso dall ultima cottura (spesso la realizzazione del manufatto) sulla scala dei secoli. La datazione mediante TL può quindi essere incrociata con altri dati storici ed è complementare a tecniche di datazione basate su isotopi radioattivi. La Fig. 3 illustra alcuni dei sistemi studiati nei laboratori Raman-EPR. La Fig. 3a mostra l immagine di microscopia a forza atomica di film sottili nanostrutturati di TiO 2 di interesse per la spintronica. Questa è una nuova area di ricerca e tecnologia in cui oltre alla carica (come avviene nell elettronica tradizionale) viene controllato e manipolato anche lo spin dell elettrone, con un conseguente aumento dei gradi di libertà e quindi la possibilità, nella ricaduta applicativa, di un aumento nella densità di dati che possono essere scritti e letti in memorie fisiche opportune. Nel caso in esame, film sottili di diossido di titanio depositati in atmosfera riducente mostrano cicli di isteresi denunciando un comportamento ferromagnetico. In Fig. 3b sono visibili lingotti monocristallini e wafer (fette) di Niobato di Litio (LiNbO 3 ), fra i principali materiali di interesse per l ottica nonlineare. Le immagini mostrano l altissima qualità del materiale, che viene

5 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) 93 a) b) c) Fig. 3: Esempi di sistemi studiati nei laboratori Raman-EPR: a) film sottili nanostrutturati di TiO 2, b) cristalli di Niobato di Litio (LiNbO 3 ) per ottica nonlineare, c) ossidi magnetici con metalli di transizione (HoBaCo 2 O 5.5 ). cresciuto con tecniche simili a quelle del silicio monocristallino. In Fig. 3c è mostrata la struttura del composto HoBaCo 2 O 5.5 come esempio di ossido misto contenente ioni di terra rara. Tali materiali sono caratterizzati da un forte accoppiamento tra gradi di libertà di carica, orbitale e di spin con conseguenti proprietà peculiari a livello elettronico, magnetico e ottico. Partecipanti: P. Galinetto, M.C. Mozzati, E. Giulotto, V. Bellani, D. Maghini Collaborazioni: A.F. Ioffe Physico-Technical Institute - S.Petersburg, Fachbereich Physik - University of Osnabrück, Laboratori Nazionali di Frascati, TASC-INFM National Laboratory Trieste, BeamLine BACH - ELETTRA - Trieste, Dept of Mat. Science - Ukrainian Acad.of Sciences - Kiev, Inst. of Physics - Acad. Sci. CR - Prague, Material Physics Dept. - Univ. Aut. Madrid, Università di Milano Bicocca, Università Cattolica - Brescia, Stazione Sperimentale del Vetro di Murano, Saes Getter S.p.a., Eni Spa 5 Laboratori di Spettroscopia Ottica I Laboratori dispongono di strumentazioni che consentono investigazioni ottiche con una vasta gamma di tecniche e su un ampio intervallo spettrale (dal lontano infrarosso all ultravioletto da vuoto). Oltre alle più comuni misure di riflettanza, trasmittanza, assorbimento, fotoluminescenza, ellissometria spettroscopica e polarimetria, sono implementati sistemi per misure interferometriche o con tecniche modulatorie (foto-, termo- ed elettro-riflettanza, assorbimento fotoindotto), risolte spazialmente con sistemi di microfocalizzazione o risolte nel tempo sulla scala dei nanosecondi. Ciò consente la caratterizzazione e lo studio di proprietà elettroniche e vibrazionali di materiali e sistemi nanostrutturati. Viene inoltre operata una caratterizzazione strutturale avanzata mediante microscopia a forza atomica (AFM). Fra i principali sistemi studiati vi sono in primo luogo i semiconduttori massivi e le nanostrutture di semiconduttori III-V e di Si-Ge, nonché le nanoparticelle metalliche. Più recente è lo studio dei semiconduttori polimerici e dei polimeri coniugati, con riguardo alle eccitazioni ottiche e alla dinamica dei portatori di carica. Un vasto campo di ricerca riguarda i cristalli fotonici, ossia i sistemi con variazione periodica della costante dielettrica in una, due o tre dimensioni: tali sistemi sono di notevole interesse per la varietà dei fenomeni fisici e delle applicazioni all optoelettronica e alla comunicazione ottica, ai laser, alla fotonica integrata e alla conversione fotovoltaica. Fra le strutture allo studio vi sono le guide d onda e nanocavità a cristallo fotonico in silicio e in semiconduttori III-V per la commutazione ottica e per l aumento dell emissione di luce, nonché i sistemi 3D quali gli opali diretti e inversi. Sono infine di grande interesse le superfici nanostrutturate e i sistemi misti dielettrico-metallo con eccitazioni plasmoniche, per lo sviluppo di dispositivi ad alta sensibilità ottica quali i bio-sensori. In Fig. 4 sono mostrati immagini scanning-elettron-microscope (SEM) di alcuni sistemi di interesse per la spettroscopia ottica e la nanofotonica. La Fig. 4a mostra un campione con guida d onda a cristallo

6 94 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) a) b) c ) 12 µm 400 nm Fig. 4: Esempi di sistemi studiati nei Laboratori di Spettroscopia Ottica (immagini di microscopia elettronica a scansione, SEM): a) Guida d onda fotonica con nanocavità in membrana di silicio per la commutazione ottica (collab. LTM- CNRS Grenoble), b) Nanoantenna di Au/Pt su membrana di Si 3N 4 con cristallo fotonico per la biodetezione di singole molecole (collab. BIONEM lab - Univ. Magna Graecia), c) superficie nanostrutturata per biosensori: nanopillars di acido acrilico su film di oro (collab. EU-JRC Ispra). fotonico e nanocavità su membrana di silicio. Il fascio di prova a lunghezza d onda nel vicino infrarosso entra dal bordo della guida tramite il ridge di accesso ed esce tramite il ridge di uscita (frecce rosse). Illuminando la nanocavità con un fascio di pompa si generano portatori liberi che modificano l indice di rifrazione e producono l all-optical switching (commutazione tutto-ottica) del fascio di prova. In Fig. 4b è mostrato un nano-dispositivo fotonico-plasmonico consistente in una nano-antenna metallica (platino rivestito di oro) su cavità fotonica realizzata in membrana di nitruro di silicio (Si 3 N 4 ). Il sistema si presta alla rivelazione di singole/poche molecole depositate sulla punta della nano-antenna: un fascio esterno (far field) è accoppiato ai modi fotonici della cavità e tramite questa ai modi plasmonici della nano-antenna, che producono un forte aumento dell intensità elettromagnetica sulla punta e quindi della sensibilità di rivelazione. Infine, in Fig. 4c viene mostrata una superficie nanostrutturata consistente di nano-pillars di acido acrilico (con pallina di polistirene su uno dei pillar) su film di oro: l acido acrilico è in grado di legare biomolecole mentre il film di oro supporta plasmoni di superficie, per cui il sistema può operare come un biosensore che sfrutta lo spostamento della risonanza plasmonica in presenza di modifiche locali dell indice di rifrazione indotte dalle biomolecole. Partecipanti: A. Stella, G. Guizzetti, F. Marabelli, M. Geddo, V. Bellani, M. Patrini, M. Galli, D. Comoretto (Univ. Genova), L.C. Andreani, D. Gerace Collaborazioni: LTM-CNRS Grenoble, LPN-CNRS Marcoussis, University of St. Andrews, University of Glasgow, ICMM-CSIC and IMM-CSIC-Madrid, EU-JRC Ispra, BIONEM Lab e Università della Magna Graecia, MATIS-CNR-INFM e Università di Catania, Politecnico di Torino, Università di Parma, Università di Bari, ST Microelectronics, ENI 6 Teoria della Materia Proseguendo una tradizione iniziata negli anni 50, vengono svolte varie ricerche di carattere teorico in fisica della materia, sia riguardanti gli aspetti di base sia in connessione con le attività sperimentali sopra descritte con vari risvolti applicativi. Fra gli argomenti principali in fisica dei solidi e fotonica vi sono gli stati elettronici, le proprietà ottiche e di trasporto dei solidi, i sistemi correlati, le nanostrutture di semiconduttore. Un argomento di particolare interesse negli ultimi anni riguarda gli stati elettronici e il trasporto in nanostrutture di carbonio quali grafeni e nanotubi (vedi Fig. 5a). Gli interessi di ricerca del gruppo di teoria dei solidi comprendono le (nano-)strutture di semiconduttori a bassa dimensionalità quali i quantum wells e superreticoli, i quantum wires e i quantum dots. Si sono sviluppate inoltre varie linee di ricerca sui cristalli fotonici e sui sistemi a confinamento fotonico quali le

7 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) 95 b) a) c) d) Fig. 5: Esempi di sistemi studiati nei gruppi di Teoria della Materia: a) Grafeni e nanotubi di carbonio (struttura elettronica e trasporto), b) nanocavità a cristallo fotonico contenente quantum dots di semiconduttori, c) modelli nematogeni di spin confinati, d) tokamak e studio del trasporto di radiazione in plasmi da fusione. micro- e nanocavità, con particolare riguardo ai fenomeni di interazione radiazione-materia, all emissione di luce e all ottica non lineare. Vengono seguiti vari approcci semiclassici e quantistici, con un insieme di tecniche analitiche e numeriche. In Fig. 5b è mostrato un esempio di nanocavità a cristallo fotonico con forte confinamento del campo elettromagnetico nella regione di cavità. Il sistema è realizzato su membrane di GaAs e contiene quantum dot auto-assemblati di InAs, ossia sistemi zero-dimensionali di semiconduttore che interagiscono con il modo confinato zero-dimensionale del campo elettromagnetico dando origine a fenomeni di accoppiamento forte, correlazioni e nonlinearità quantistiche. Vi sono ricerche di tipo computazionale su modelli di interazioni della meccanica statistica, per descrivere sistemi quali liquidi molecolari, cristalli liquidi (anche con fasi nematiche) o spin su reticolo. Le ricerche mirano alla predizione di proprietà termodinamiche, strutturali e dinamiche a partire da assegnati potenziali fra le particelle costituenti, sotto vincoli macroscopici quali temperatura, densità, pressione o potenziale chimico, anche per caratterizzare le eventuali transizioni di fase. La Fig. 5c mostra un esempio di simulazione numerica per una goccia di cristallo liquido nematico in matrice polimerica. Vengono infine condotti studi di fisica dei plasmi, riguardanti in particolare il trasporto di radiazione, sia per la fusione controllata nei tokamak (vedi Fig. 5d) che in astrofisica. Viene effettuato uno studio dettagliato della propagazione di fasci di onde in relazione ad esperimenti di fusione a confinamento magnetico. Vi sono vari aspetti di interesse, due dei quali risultano di particolare attualità per la fisica fondamentale del plasma e per le applicazioni: la descrizione degli effetti di dispersione sulla propagazione di fasci di onde in mezzi dispersivi non-uniformi e il trasporto di radiazione in plasmi magnetizzati dovuto all emissione di onde alla frequenza ciclotronica elettronica. Il gruppo contribuisce fra l altro all applicazione del metodo beam tracing per la descrizione dei fasci. Fra le attività teoriche (non strettamente di fisica della materia) occorre menzionare altre ricerche di carattere più fondamentale riguardanti l elettrodinamica nei continui materiali e la relatività generale. Partecipanti: G. Pastori Parravicini, L.C. Andreani, D. Gerace, S. Romano, M. Bornatici, L. Mihich, S. Antoci (CNR) Collaborazioni: University of Karlsruhe, ETH-Zürich, University of St. Andrews, CNRS-Grenoble, University of Toronto, Università di Trento, Scuola Normale Superiore di Pisa, Istituto di Fisica dello Stato Solido - Accademia delle Scienze Bulgara - Sofia, Istituto di Scienze delle Macchine - Accademia

8 96 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) a) b) c) d) e) Fig. 6: Esempi di sistemi studiati nel gruppo Quantum Information Theory: a) Entanglement (intricazione) di stati quantistici, b) tomografia quantistica, c) crittografia quantistica, d) caratterizzazione quantistica di dispositivi, e) quantum combs (pettine) - metodo generale di ottimizzazione dell architettura di circuiti quantistici. delle Scienze Russa - San Pietroburgo, Associacion EURATOM-CIEMAT Madrid, Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik - Garching, NFI RRC Kurchatov Institute - Moscow 7 Teoria dell informazione quantistica Le ricerche di informatica e ottica quantistica hanno un duplice carattere, fondamentale e applicativo, e riguardano primariamente la teoria della misurazione quantistica e la disciplina della quantum information. I principali settori di applicazione sono le misurazioni ad alta sensitività, nuovi schemi di misurazioni quantistiche, la caratterizzazione quantistica di dispositivi e stati quantistici mediante tecniche tomografiche, la crittografia quantistica, le tecniche di cloning. Le ricerche si sviluppano principalmente nella direzione di nuove tecniche di ottimizzazione per il design di nuovi dispositivi per la tecnologia della quantum information. A livello fondamentale queste ricerche si collegano con la formulazione di nuovi metodi teorici in meccanica quantistica, con lo stabilire i limiti di principio per trasformazioni e misurazioni quantistiche, nonché con il problema dell assiomatizzazione stessa della meccanica quantistica. Le metodologie di ottimizzazione di processi e misurazioni si collegano con problemi generali di learning, automazione e teoria del controllo. In Fig. 6 vengono mostrati schematicamente alcuni esempi di applicazioni di grande interesse della quantum information. La Fig. 6a mostra la formazione di stati entangled ( intricati ): utilizzando ad esempio il fenomeno di conversione parametrica nonlineare possono venire create coppie di fotoni spazialmente separati ma le cui polarizzazioni sono correlate. Gli stati entangled rivestono un ruolo cruciale nella codificazione e trasmissione dell informazione quantistica. In Fig. 6b si mostra la ricostruzione, o tomografia, di uno stato quantistico. La Fig. 6c visualizza la crittografia quantistica, ossia la codifica dell informazione per mezzo di chiavi quantistiche. In Fig. 6d è illustrato un semplice processo di ricostruzione quantistica di dispositivi. Infine in Fig. 6e è mostrato l anologo quantistico del frequency comb, ben noto in spettroscopia atomica ad altissima risoluzione: in questo caso si parla di quantum comb come metodo generale per l ottimizzazione dell architettura di circuiti quantistici. Lo sviluppo di questi concetti e applicazioni avrà un effetto pervasivo sulla società dell informazione negli anni futuri. Partecipanti: G.M. D Ariano, C. Macchiavello, L. Maccone, M. Sacchi (CNR)

9 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) 97 a) c) b) d) Fig. 7: Esempi di attività dei gruppi di didattica e storia della fisica: a) modelli per urto anelastico, b) copertina dell American Journal of Physics dedicata ai modelli preparati a Pavia per l insegnamento dei fenomeni di attrito, c) strumenti di Alessandro Volta, d) foto della mostra Albert Einstein Ingegnere dell Universo, Pavia, Novembre Gennaio 2006 (Anno Internazionale della Fisica 2005). Collaborazioni: Northwestern University, Università di Roma La Sapienza, TU Braunschweig, Torino ISI, Waterloo Institute for Quantum Computing and Perimeter, University of Oxford, University of Cambridge 8 Didattica e storia della fisica, museologia scientifica L attività del gruppo di Didattica della Fisica è volta a individuare strumenti e metodologie che contribuiscano al miglioramento dell insegnamento/apprendimento della Fisica ai vari livelli scolari e della formazione degli insegnanti. Le ricerche in corso riguardano prevalentemente la elaborazione di percorsi didattici su temi rilevanti di Fisica; la progettazione e la sperimentazione di modelli per la formazione iniziale e in servizio degli insegnanti; la ricostruzione didattica di argomenti di fisica attraverso l analisi dei concetti fisici di base e lo studio di particolari momenti dello sviluppo storico della disciplina. Due esempi sono indicati in Fig. 7: la Fig. 7a mostra dei modelli per lo studio degli urti anelastici e della dissipazione dell energia, mentre la Fig. 7b rappresenta la copertina dell American Journal of Physics (la rivista educational dell American Institute of Physics) tratta dall articolo del gruppo pavese sull insegnamento dei fenomeni di attrito dove viene proposto l uso di modelli a diverse scale di grandezza. Il Gruppo di Storia della Fisica sviluppa varie linee di ricerca inserendole nei più ampi contesti culturali dell epoca. Le ricerche sul XVIII secolo, tra cui quelle su Volta, tengono in vista la complessa competizione tra i paradigmi di Cartesio, Leibniz e Newton. Le visuali meccaniciste, elettromagnetiche, termodinamiche ed energetiste della natura fanno da sfondo alle indagini sul XIX secolo. I notevoli contributi di

10 98 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) Magnetic Nanoparticles in Theranostics: Diagnostics: Therapy: B ioc ompatible s hell MRI imaging, contrast agent Magnetothermia A ntibody F luores cent molec ule Magnetic nuc leus Drug Fig. 8: Esempio di applicazioni delle nanoparticelle magnetiche alla terapia e diagnostica (teranostica) dei tumori. Pavia alla nascita della fisica dello stato solido in Italia nel XX secolo sono un altro significativo campo di indagine. Il gruppo è anche impegnato nell approfondimento del ruolo che la storia della scienza e le nuove tecnologie digitali possono svolgere sia nell ambito formale dell istruzione scolastica sia nell ambito dei musei scientifici, dove ha grande importanza la valorizzazione del patrimonio storico del Dipartimento e/o acquisito da altre sedi (ad esempio il Gabinetto di Fisica di Alessandro Volta e il laboratorio di Galileo Galilei). La Fig. 7c mostra il tavolo di laboratorio originale di Alessandro Volta, con alcuni degli strumenti da lui inventati. Questi e altri strumenti storici sono fruibili presso il Museo per la Storia dell Università. La Fig. 7d mostra una foto della mostra Albert Einstein Ingegnere dell Universo, tenutasi a Pavia dal 1/11/2005 al 31/01/2006. Un altra importante mostra, The legacy of Volta: from the battery to photovoltaic electricity è stata organizzata a Shanghai dal 16 al 30/9/2006 in occasione dell inaugurazione del Campus Sino-Italiano presso la Tongji University. Sul sito sono disponibili vari percorsi museali. Partecipanti: G. Bonera, L. Borghi, F. Bevilacqua, A. De Ambrosis, L. Fregonese, L. Falomo, U. Besson Collaborazioni: (didattica) University of Cyprus, University of Pitesti, Umea University, University College Copenhagen, Education Centre - Tralee, Università di Bologna, di Napoli, di Palermo e di Udine, (storia) Max-Planck Institut für Wissenschaftsgeschichte - Berlino, Deutsches Museum - Münich, Carl von Ossietzky Universität - Oldenburg, National & Kapodistrian University of Athens, Aristotle University of Thessaloniky, University of New South Wales - Sydney, Istituto e Museo di Storia della Scienza - Firenze, Fondazione Scienza e Tecnica - Firenze, Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia Leonardo da Vinci - Milano 9 Nanofisica e applicazioni Nell ambito del vasto dominio delle nanoscienze hanno acquisito molto rilievo negli ultimi anni gli aspetti di nanofisica, ossia di studio dei processi fisici su scala sub-micrometrica. Tali aspetti, comuni a varie linee di ricerca sperimentali e teoriche sopra menzionate, riguardano in particolare i semiconduttori (nanostrutture a confinamento quantico quali i quantum wells, wires e dots), i sistemi fotonici (micro- e nanocavità, cristalli fotonici, nanostrutture fotoniche e plasmoniche per applicazioni ai nanolaser, all ICT, al bio-sensing), le particelle magnetiche (nanoparticelle con superparamagnetismo per la diagnostica e terapia dei tumori).

11 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) Anni * * *Dati al 22/10/2008 UniPV MIUR, E U Privati UniP V 20% P riv ati 31% Media sul triennio MIUR -E U 49% E nti Privati : F ondazione CARIP LO, industrie, altri enti Fig. 9: Finanziamenti del DFAV nel triennio : contributi dall Università di Pavia (UniPV), da Enti Pubblici (MiUR, EU e altri), da Enti Privati. Le cifre nell istogramma a sinistra sono in migliaia di Euro. Sono inoltre di grande importanza gli aspetti applicativi delle ricerche, nel campo della fisica biomedicale (MRI, nanomedicina, biosensori), della micro- e optoelettronica, della fotonica (laser, LED, ICT, fotovoltaico), dei beni culturali (analisi e conservazione), della science education e della museologia scientifica. La fisica applicata e il trasferimento tecnologico verso l industria si stanno sviluppando in vari settori di ricerca e acquisteranno una importanza sempre maggiore nei prossimi anni. Alcuni esempi di nanofisica e di sue applicazioni, relativamente ai semiconduttori e ai sistemi fotonici, sono stati mostrati nelle Sec. 5 e 6. Un altro esempio relativo al magnetismo è mostrato in Fig. 8. Una nanoparticella magnetica ( magnetic nucleus ) viene rivestita di uno strato molecolare biocompatibile per essere poi iniettata nell organismo. Lo strato biocompatibile può legarsi a specifici anticorpi e localizzarsi quindi in predeterminate zone dell organismo, ad esempio in un tumore. Se la molecola è fluorescente, il suo percorso può essere seguito con metodi ottici. Altrimenti, la diagnostica può essere fatta utilizzando la risonanza magnetica per immagini (MRI): le nanoparticelle hanno il ruolo di agenti di contrasto nella MRI, grazie al momento magnetico gigante che interagisce con gli spin nucleari e aumenta quindi il contrasto di immagine in seguito agli impulsi a radiofrequenza. Inoltre le nanoparticelle possono fungere anche da mezzo per la terapia: la stessa proprietà di superparamagnetismo aumenta considerevolmente l energia assorbita dal campo e quindi produce una magnetotermia, ossia un riscaldamento indotto dal campo che può essere usato per distruggere selettivamente le cellule tumorali. Le nanoparticelle magnetiche hanno quindi notevoli prospettive di applicazioni biomedicali per la teranostica - diagnostica e terapia con lo stesso mezzo. 10 Progetti, finanziamenti, prospettive future Gran parte delle ricerche sopra descritte si svolgono nell ambito di vari progetti nazionali e internazionali. I principali finanziamenti pubblici vengono forniti dal MiUR (in particolare PRIN e FIRB), dal CNR- INFM, dal Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze Fisiche della Materia (CNISM), dalla U.E. (Network of Excellence e progetti tematici), dalla Regione Lombardia. Vi sono inoltre importanti finanziamenti privati erogati da Fondazioni quali CARIPLO e Banca del Monte di Lombardia e da varie industrie nei settori di ricerca e sviluppo. Fra le industrie con le quali sono attive collaborazioni alla data del Convegno di Facoltà occorre menzionare ST Microelectronics (emissione di luce in silicio), Horiba Jobin Yvon (spettroscopia microraman),

12 100 Scientifica Acta 3, Special issue (2009) Bruker Biospin, Bracco, Colorobbia (risonanza magnetica per immagini). Vi è inoltre una stretta collaborazione nell ambito della fisica biomedicale con la Fondazione Mondino e l Istituto Europeo Oncologico (MRI, magnetometro SQUID total-body). Altri argomenti in fase di rapido sviluppo, che potranno portare a collaborazioni industriali nel prossimo futuro, riguardano le celle fotovoltaiche e i mezzi di contrasto nella risonanza magnetica per immagini. In Fig. 9 è mostrata la distribuzione dei finanziamenti ricevuti dal Dipartimento nell ultimo triennio. Si nota che il contributo dell Università di Pavia (crediti ricorrenti: fondi di dotazione e fondi di Ateneo per la ricerca) è pressappoco costante e si attesta attorno al 20%. Il contributo degli enti pubblici (MIUR, EU ecc) ha avuto un drastico calo nel 2008, a seguito della riduzione del finanziamento di PRIN e FIRB a livello nazionale. Il Dipartimento ha compensato questo calo attraverso un aumento del contributo di enti privati - in primo luogo la Fondazione CARIPLO, che sta assumento un ruolo primario di finanziatore delle ricerche attraverso i bandi per la ricerca applicata. I contributi complessivi degli enti privati sono crescenti nel triennio e la media si attesta attorno al 30%. Si arriva quindi a una inevitabile conclusione (valida probabilmente anche per altri Dipartimenti scientifici): per compensare il calo dei finanziamenti pubblici, le ricerche dovranno essere almeno parzialmente orientate verso le attività applicate e suscettibili di attrarre finanziamenti privati. La ricerca fondamentale ( curiosity driven, per usare un termine poco felice ma di moda) può ancora essere praticata, ma solo se sostenuta da una robusta attività di ricerca applicata. Ringraziamenti Sono grato a tutti i colleghi che mi hanno fornito materiale e testi per questo contributo, fra di essi P. Carretta, G.M. D Ariano, A. De Ambrosis, L. Falomo, L. Fregonese, P. Galinetto, A. Lascialfari, F. Marabelli, A. Rigamonti, S. Romano.