Un po di riassunti. Carlo Rizzuto Facoltà di Ingegneria Novembre 2005

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1 Un po di riassunti Carlo Rizzuto Facoltà di Ingegneria Novembre 2005

2 Il percorso Scientifico: Superconduttività, Criogenia, Magnetismo (effetto Kondo), Proprietà di trasporto, Standards quantistici, Luce di Sincrotrone e Laser a Elettroni liberi, sviluppo sostenibile, Industriale: Ottimi laureati, Superconduttività applicata (e semiconduttori), Imprese spin-off, Venture capital, Policy scientifica in Italia: nel CNR (il GNSM) e fuori (Centri, avvio Sincrotroni-Consorzio, entrata in funzione sincrotroni- INFM) e in parallelo: Comitati CNR e CUN, CNST, CIVR Policy scientifica nella UE: Programma-Quadro; CODEST-ESTA- ESFRI-EIB ----.ERC? (..e l Antipolicy in Italia: caso (Mattei)/Ippolito/Marotta, non riforma Università, non crescita, involuzione Univ. svuotamento e chiusura dell INFM, ) E anche: Canada, Cile, UK, Svizzera, Centro-Est Europa

3 Il contesto scientifico Analisi Fine della Materia (Fine Analysis of Matter, FAM) materiali inorganici, organici e biologici dispositivi micro e nano, cellule e loro parti, virus... Diffrazione Microscopia Spettroscopia RX, elettroni, neutroni,ioni elettroni,fotoni,atomi fotoni,elettroni,nmr tecniche analitiche avanzate strutture ordinate disordinate elettroniche e magnetiche fenomeni transizioni di fase eccitazioni trasporto,cinetiche

4 All interno dei materiali in particolare conduttori-semiconduttori-superconduttori Abbiamo elettroni che viaggiano a ~ 0,1-1% c, entro un reticolo di ioni positivi tenuti da molle Solo circa 1% di questi elettroni sono attivi (per le loro caratteristiche quantistiche) nelle proprietà di trasporto: resistività, superconduttività, certe forme di magnetismo, calore specifico, potere termoelettrico, certi aspetti meccanici, Gli ioni positivi oscillano quantisticamente (fononi) La superconduttività è dall interazione elettroni-fononi Per poter utilizzare la superconduttività si deve capirla

5 Applicazioni della superconduttività Proprietà di trasporto (R=0) da cui: Produzione di campi magnetici con volumi > m 3 e intensità > 1 Tesla (superare i limiti dalla saturazione del ferro e dalla potenza dissipata) MRI, SMESS Generatori, motori di alta potenza Trasporto, accumulo, stabilizzazione. energia elettrica Proprietà quantistiche: hc/2e= 2x10-7 gauss/cm 2 : produzione di sensori, contatori e standards con definizione quantistica: lo standard di tensione Computazione e criptazione Genova è all avanguardia nei magneti superconduttori e presto nei cavi di nuova generazione

6 E qualche elemento di criogenia e superfluidità I superconduttori tecnologici attuali funzionano bene a circa 4 K, anche se esistono superconduttori fino a oltre 100 K, ancora in sviluppo (Mg B 2 a Genova) Si usa l He 4 liquido, che, sotto i 2,2 K, entra in uno stato quantistico macroscopico: superfluido Per raggiungere temperature di qualche millikelvin si fa evaporare l He 3 nell l He 4 liquido: i criostati a diluizione

7 Il contesto strumentale della luce di sincrotrone FAM (nanoscienza) con sonde fotoniche (e.m): vedono le cariche elettriche e le proprietà collegate (e.g. magnetismo, chimica, strutture) Specifiche: lungh.d onda, intensità (brillanza di picco e media), struttura temporale (frequenza di ripetizione, stabilità/riproducibilità/affidabilità, jitter etc), spot-size (microscopia), coerenza (trasversa/ longitudinale), polarizzazione, sintonizzabilità, Dagli acciai fino al genoma

8 Synchrotron Light Use Spatial Scale Temporal Scale

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10 Diffrazione, diffusione Dal sincrotrone (monocromatore) Riflessione diffusione Fotoelettroni, Fluorescenza Microscopie, Assorbimento e trasmissione (radiografia, litografia, fotochimica etc)

11 ELETTRA

12 Un rapido sommario Laboratorio Europeo Multidisciplinare Centro per le Nanotecnologie Servizio internazionale. Ponte verso Centro-EST Europa, India : >1000 utilizzatori/anno, il 50% da >20 Paesi Maggiori utilizzatori : biomedicina, chimica+fisica+ingegneria, archeologia, Industrie per circa il 20% con l Università

13 Proprietà della luce di Sincrotrone Dalla trasformazione energia-massaenergia: elettroni accelerati fino alla zona relativistica, deviati da magneti (acc. centripeta) o da dispositivi a inserzione (ondulatori/wiggler): Spettro copertura continua Grande e stabile intensità+brillanza Direzionalità: collimazione stretta Struttura Temporale Pulsata (nsec) Polarizzazione controllabile Coerenza (in qualche condizione)

14 Elettra: l insieme delle tecniche LINAC ALOISA: structure of surfaces XMOSS: electronic valence states of solids and surfaces LILIT: lithography, microfabrication of electronic components BACH: studies of electronic structure and magnetic properties of solids by circularly polarized light absorption and scattering McX: atomic structure of materials, characterization of new compounds 1 APE: photoemission studies of electronic structure and magnetic properties of solids and surfaces Gas Phase Photoemission: atoms, molecules, ions SYRMEP:medical physics; absorption and phase contrast radiography imaging Microfabrication: manufacturing of micromechanical components by means of deep-etch lithography ( LIGA process) Inelastic VUV scattering: collective excitations of liquids, amorphous and desordered systems, relaxation and diffusion in biological systems 12.1 Materials science XAFS: local atomic structure 7.1 XRD1 Protein Crystallography XRD2 Protein Crystallography SAXS Small-Angle Scattering: polimers, gels, natural and artificial fibers; cell membranes, biological tissues Circularly polarized light: magnetic materials, thin films for memories, multilayers; dichroism of organic molecules VUV Photoemission: surfaces and interfaces of metals and semiconductors Electron beam profile monitor Nanospectroscopy: multitechnical surphace analysis, chemical mapping with lateral resolution of 10 nm Spectromicroscopy: electronic structure of surfaces on a submicron scale SuperESCA: time-resolved studies of surface processes, growth, reconstruction, catalysis ESCA Microscopy : mapping of surface chemical species with spatial resolution of 100 nm FEL: VUV free electron laser costruction bend magnet beamlines insertion device beamlines commissioning operational AS:

15 ELETTRA oggi Linee di Luce Al 1/11 / operative 2 in collaudo 4 in costruzione

16 Air Pollution SiO2 fiber Filter(Trieste) 2 spot DIC&XRF measurements (July 2002) 7.2 KeV X-ray 4 KeV X-ray Absorption contrast Diff. Interf. contrast Cr XRF map Fe XRF map Ca XRF map K XRF map

17 Topography and elemental map in liver cells Topography Chlorine Scandium Sulfur Potassium Phosphorus K&P

18 Diffrazione di raggi X: fornisce la struttura delle macromolecole, per la comprensione del funzionamento e di eventuali modifiche a scopi industriali o farmaceutici. Proteina di funzione nota/sconosciuta Espressione della proteina a partire dal DNA che la codifica Purificazione Attuali esempi di ricerca interna: Meccanismi in enzimi superveloci: Anidrasi Carbonica Cristallizzazione Diffrazione da raggi X Interpretazione della densità elettronica Metalloenzimi nella protezione da Radicali liberi+rimozione composti tossici Costruzione del modello tridimensionale Informazioni a livello atomico sulla struttura 3D, possibili siti di interazione Proteine del citoscheletro, coinvolte nel moto cellulare Conoscenze per uso/ ottimizzazione della proteina per applicazioni biotecnologiche o industriali

19 Index finger proximal interphalangeal joint Flexor tendon Joint capsule Articular surfaces Extensor tendon Apparent absorption Image Refraction Image

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22 Optical Tweezers

23 The bull in the corral Micro bulls are made by two photon lithography Courtesy of Kawata et. al. Nature, 491 (2001) 697

24 Working principle Main requirement: Range: 0-30 mm Resolution: 0.1 mm Ear Measure head + micromirrors + micromechanics Measure head Working range:35 mm Resolution: <15 µm Lateral resolution: 35 µm Micro-mechanics supportoptical head Length: 4 cm Diameter in rotation: <3 mm Scanning micromirrors Spot line on auditory canal Length: 3cm Diameter: 2 8 mm

25 Dettagli sull anello di accumulazione pacchetti da 5-7 mm, frequenza di rivoluzione: 1157 MHz Energia 1-2,4 GeV (γ = circa ): trasformatore massa/energia Impulsi luce ~ 10 nsec, intervallati ns Sorgenti luce: µm, µrad 11 Ondulatori/wiggler (piccole/forti ondulazioni)+12 bending+.. Potenza (brillanza) emessa: ~ 1-10 KW Funziona 24 ore su 24 Record mondiale per i FEL risonanti

26 Perché i Laser a Elettroni Liberi Gli attuali Laser e SR possono inviare sul campione un numero di fotoni confrontabile con quello degli atomi: il readout è potenzialmente una informazione completa, ma statica. I laser ultraveloci e i FEL possono inviare questo numero di fotoni entro i tempi di risposta dinamica degli atomi (1-100 fs) e inferiori a quelli del reticolo (ps): film.

27 Self Amplified Spontaneous Emission - SASE

28 Seeded FEL High Gain Harmonic Generation (HGHG) Seed laser λ = 200 nm P in = 30 MW Modulator 200 nm Amplifier 40 nm HGHG FEL λ = 40 nm P out = 0.92 GW Dispersion section Electron Beam E = 1 GeV I = 600 A ε = 2 mm mrad γ/γ = Ondulatori Ricircolo Neutroni?

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33 Alcuni elementi sommari Tre bande centrate a 40, 10 e 1,2 nm Controllato da Laser a 200nm+armoniche Sintonizzabilità, polarizzazione variabile Utilizzo stroboscopico e in correlazione (pump&probe) con Elettra Impulsi <100 fsec Costruito in collaborazione internazionale: USA, Europa Approvato dal Consiglio dei ministri Eu Finanziato in modo innovativo, per l Eu (costo 124 M )

34 Qualcosa sulla Policy L Italia ha qualità e produttività superiore o uguale a quella media europea nella Ricerca e nella didattica Universitaria Ma non è mai riuscita (forse recentemente?) a rendere educazione universitaria e ricerca fatti estesi e collegati a Industria, Servizi e Amministrazione Si parla ancora di due culture, che sono superate in Eu E si confonde Ricerca con Innovazione Vi sono resistenze interne e influenze esterne Una via è quella europea, da collegare in Italia con la costruzione di punti di resistenza e rilancio e reti di correlazione sia nella Ricerca che negli altri aspetti (industria, finanza,.)

35 % Laureati sugli studenti immatricolati x anni prima Giappone x= Germania x= USA x= Italia Laureati x= Italia Docenze Dati OECD, MIUR e MEF Contratti di docenza

36 1a. Researchers (FTE) / Million of Active Population in Public and Private Sectors 1b. Teachers (FTE?!) in Tertiary Education / Million of Active Population Finland Sweden 4458 Japan Finland 4267 USA USA 3972 Sweden Japan 3760 Germany Spain 3333 UK Ne the rlands 3298 France Ireland 3269 Netherlands France 3083 EU Germ any 2984 Belgium Austria 2953 Ireland EU 2785 Austria Belgium 2491 Spain UK 2194 Italy Greece 2068 Greece Italy Business Enterprise Higher Education Government Data Source: Eurostat Data source: OECD

37 Stati Uniti (su 1000) RICERCATORI LAUREATI

38 Italia (su 1000) RICERCATORI LAUREATI

39 4a. Scientific Publications / Million Active Population 4b. Scientific Publications / 1000 Researchers Sweden 2198 Austria 452 Denmark 1819 Netherlands 400 Finland 1723 Denm ark 370 UK 1453 Belgium 361 Netherlands 1422 UK 356 Belgium 1214 Italy 346 USA 1082 Sweden 344 Austria 1058 Greece 326 France 1021 Spain 308 Germany 958 EU 269 EU 924 Ireland 260 Ireland 818 France 255 Japan 718 Germ any 227 Spain 687 Finland 226 Italy 674 USA 204 Greece 496 Portugal 182 Portugal 364 Japan 104 Data source: Eurostat

40 8a. Annual Graduations / Million Active Population 8b. Annual Graduations / 1000 Teachers Ireland UK 5076 France Finland 4023 USA Ireland 3940 Japan France 3892 UK Netherlands 3862 Belgium, Flemish Portugal 2853 Denmark 8676 Japan 2716 EU 8493 USA 2709 Spain 8261 EU 2500 Finland 8252 Italy 2473 Netherlands 8150 Spain 2357 Portugal 6282 Denmark 1598 Sweden 6110 Belgium 1329 Germany 5975 Greece 1285 Italy 4489 Germany 1224 Austria 3896 Sweden 1052 Greece 3394 Austria 810 Data source: Eurostat Data source: Eurostat

41 6a. European Patents / Million Active Population 6b. European Patents / 1000 Researchers Sweden Finland Germany Netherlands Denmark EU Austria Belgium France UK Ireland Italy Spain Greece Portugal , estimated Sweden Germ any Austria Ne the rlands EU Finland Denm ark Be lgium Italy France UK Ireland Spain Greece Portugal , estimated Data sources: Eurostat