DALLA FISICA DELLA MATERIA ALLA TECNOLOGIA

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1 Guido Goldoni Dip Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche, UNIMORE Centro di ricerca CNR-NANO S3 guido.goldoni@unimore.it DALLA FISICA DELLA MATERIA ALLA TECNOLOGIA UNO SGUARDO SULLE NANOSCIENZE

2 LA POTENZA DELLE NUOVE IDEE ENIAC 1945

3 AUREA MEDIOCRITAS I SEMICONDUTTORI Ne buoni conduttori, ne buoni isolanti conduttore isolante Possiamo scegliere!

4 IL RUOLO DELLA MECCANICA QUANTISTICA Perché alcuni materiali conducono bene, altri male o nulla Perché alcuni materiali SUPER-conducono Cosa limita la conduzione, come possiamo cambiare questo stato di cose e trarne vantaggio Perché alcuni materiali assorbono la luce e altri no Perché la luce che assorbono o emettono ha un determinato colore

5 IN MEDIAS RES - LA MECCANICA QUANTISTICA "I think that I can safely say that nobody understands quantum mechanics." R. Feynmann, Nobel 1965

6 I PRINCIPI DELLA MECCANICA QUANTISTICA Principio di quantizzazione dell energia In un atomo sono permesse solo certe orbite/energie Ogni elettrone è dotato di spin Lo spin può assumere solo due valori Principio di esclusione di Pauli Ogni livello può essere occupato da un solo elettrone per spin

7 LA TEORIA QUANTISTICA DEI SOLIDI Metallo corrente intensa - + Cu Cu Cu Semiconduttore drogato puro corrente debole Nessuna corrente - + Impurezza Si Si Si

8 IL MATTONE - IL TRANSISTOR W.B.Shockley J.Bardeen W.H.Brattain Nobel V Intel Itanium

9 LA LEGGE DI MOORE Ogni 2 anni la complessita (il numero di transistor) raddoppia Gordon Moore

10 DI PIÙ O DIVERSO? Apple II, 1977 Che bisogno ha una persona di tenersi un computer in casa? K.Olsen, fondatore Digital, K dovrebbero essere sufficienti per chiunque B. Gates, fondatore Microsoft, 1981 World Wide Web

11 DAL GRANDE AL PICCOLO

12 32nm DOVE SIAMO OGGI 45nm 32 nm nel 2009 Fonte Intel 2014 Intel 22nm 2010 Intel 14nm 2014

13 DOVE SIAMO OGGI 11 nm Berkeley 1nm prototipo 2018

14 FISICA O TECNOLOGIA?

15 UN NANOMETRO There is plenty of room at the bottom Richard Feynman, 1959 Nobel milioni 1 nm nm 100 milioni

16 LE NANOSCIENZE Studiano le proprieta di sistemi con dimensioni intorno a nm (da poche migliaia a un milione di atomi) Un oggetto nanometrico non è solo molto piccolo 10 Cosa succede di speciale su questa scala?

17 ALLA NANO-SCALA... si determinano molte proprieta macroscopiche conduttività durezza attrito colore

18 UNA NUOVA ETA DEL CARBONIO? nano-tubi Collins, Avouris, Le Scienze 390 (2001) C 60 - buckyball

19 AND THE WINNER IS grafene Andre Geim Konstantin Novoselov Nobel 2010 Geim, Kim Le Scienze 478 (2008)

20 UNA GRANDE OPPORTUNITA NUOVI MATERIALI QUANTISTICI Leo Esaki Nobel 1973 Reed, Le Scienze 295 (1993)

21 PALLINE CHE ATTRAVERSANO I MURI IL TUNNELING QUANTISTICO Tunneling della funzione d onda E < V!!!

22 I SUPER-RETICOLI DI ESAKI Leo Esaki Nobel 1973 TASC-Trieste Resistenza differenziale negativa

23 ONDE DI ELETTRONI Gli elettroni alla nano-scala si comportano come onde Il suono degli elettroni: la luce

24 UNA NUOVA GENERAZIONE DI LASER LASER a pozzi quantici Alferov Kroemer Nobel 2000 Emissione alla frequenza desiderata Alta efficienza

25 PUNTI QUANTICI pozzo quantico Transistor a singolo elettrone Macro-atomi artificiali con un numero controllato di elettroni

26 PUNTI QUANTICI COLLOIDALI Ampio spettro di eccitazione Emissione a singole frequenze Emissione alla frequenza desiderata Lunghi tempi di fluorescenza bio-compatibilità Rivelazione di singole molecole in-vivo Colorazione cellulare per fluorescenza ~3 nm

27 DAL GRANDE AL PICCOLO TOP-DOWN Scolpire i dispositivi dal materiale Attuale tecnologia dei semiconduttori

28 DAL PICCOLO AL GRANDE BOTTOM-UP Assemblare mattonicini (unità funzionali) nanoscopici Futura tecnologia elettronica?

29 ALLA NANO-SCALA nascono i piu piccoli oggetti interessanti, cioè funzionali autoaggregazione funzioni elettriche riconoscimento

30 ELETTRONICA BIO-MOLECOLARE FUNZIONE RICONOSCIMENTO

31 ELETTRONICA BIOMOLECOLARE RIDONDANZA AUTO-AGGREGAZIONE

32 IL SACRO GRAAL - COMPUTER QUANTISTICI 0 1 Due livelli di un atomo, il valore dello spin di un elettrone, ecc. Principio di sovrapposizione Q 0 1 Computazione classica Q 0, 1 bit 0,+V Computazione quantistica Q 0 1 qu-bit

33 PARALLELISMO QUANTISTICO N qu-bit: 2 N configurazioni 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 Un registro quantistico può esistere in una sovrapposizione di 2 N configurazioni Una sequenza di operazioni su un qu-bit equivale a una sequenza su 2 N bit Classico Quantistico ricerca in una lista ( / ) ( ) fattorizzazione ( ) ( / )

34 IL CQ ESISTE Compiti eseguiti fino ad ora Fattorizzazione del numero 15 Correzione di un bit (5 qu-bit) Per avere la potenza di calcolo di un moderno PC occorrono alcune decine di qu-bit CQ a 5 qu-bit La probabile soluzione risiede in qualche tipo di nano-sistema

35 IL RUOLO DELLA MECCANICA QUANTISTICA Interpretations spiegazione delle proprietà dei materiali presenti in natura Progettazione disegno di meta-materiali con proprietà predeterminate intrinsecamente quantistiche Rivoluzione nuovi paradigmi per l elettronica/processo dell informazione Q 0 1