Fisica Le ricerche nel Dipartimento di Fisica “Alessandro...

Scientifica Acta 3, Special issue, 89 – 100 (2009)

Fisica

Le ricerche nel Dipartimento di Fisica “Alessandro Volta”Dipartimento di Fisica “A. Volta”, Università degli Studi di Pavia, via Bassi 6, 27100 Pavia

Presenta: Lucio Claudio Andreani, [email protected]

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 riguar-dano in particolare la fisica della materia condensata e dello stato solido, l’ottica e fotonica, l’informazionequantistica, la didattica e storia della fisica. Vengono messi in rilievo sviluppi recenti nel campo della nano-fisica, 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 bothexperimental 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 developmentsin nanophysics, applied physics and multidisciplinary areas are emphasized.

1 Introduzione

Le attività di ricerca del Dipartimento di Fisica Alessandro Volta riguardano principalmente (anche se nonesclusivamente) la fisica sperimentale e teorica della materia e in particolare la fisica dei solidi, l’ottica efotonica, l’informazione quantistica, la storia e didattica della fisica. L’attività sperimentale, che si avvaledi una lunga tradizione e che ha condotto a vari sviluppi di frontiera a livello nazionale e internaziona-le, ruota in larga misura attorno a tecniche spettroscopiche quali la risonanza magnetica e di quadrupolonucleare (NMR-NQR), la risonanza paramagnetica elettronica (EPR), la spettroscopia Raman, la spettro-scopia ottica in un ampio spettro elettromagnetico. Le varie attività sono strutturate in sei laboratori egrandi aree tematiche, come descritto nelle sezioni successive. Verranno inoltre discussi i più recenti svi-luppi (spesso di carattere interdisciplinare) di nanofisica e fisica applicata, nonché gli aspetti progettuali edi 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 inItalia e all’estero. Vari gruppi del Dipartimento hanno collaborazioni fruttuose e consolidate con gruppidi altri Dipartimenti, sia nell’ambito della Facoltà di Scienze MM FF NN sia di altre Facoltà, come i Di-partimenti 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), 9ricercatori (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 Fa-coltà 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, ehanno preso servizio due nuovi ricercatori (Dario Gerace, Samuele Sanna).

Al Dipartimento afferiscono inoltre numerosi dottorandi del Dottorato di Ricerca in Fisica, assegnistidi ricerca, borsisti, titolari di contratti per attività di ricerca e/o didattica e/o collaborazione coordinata econtinuativa. Inoltre sono ospitati nel Dipartimento ricercatori e tecnico-amministrativi di altre strutture di

© 2009 Università degli Studi di Pavia

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Dipartimento di Fisica “A. Volta”Università degli Studi di Pavia

Gennaio 2009

Teoria della MateriaG. Pastori Parravicini (PO)M. Bornatici (PO)L. Andreani (PO)S. Romano (PA)D. Gerace (R)G. Campagnoli (PA)L. Mihich (PA)

Direttore: L.C. Andreani Vice-direttore: F. MarabelliSegretario amministrativo: M. BertolottiAddetto locale alla sicurezza: M. Bertocchi

NMR-NQRA. Rigamonti (PO)F. Borsa (PO)P. Carretta (PA)M. Corti (PA)L. Nosenzo (PA)S. Sanna (R)M. Moscardini (T)

Raman-EPRP. Galinetto (R)E. Giulotto (R)M.C. Mozzati (T)D. Maghini (T)

Quantum Information TheoryG.M. D’Ariano (PO)C. Macchiavello (PA)

Spettroscopia OtticaA. Stella (PO)G. Guizzetti (PO)F. Marabelli (PA)M. Geddo (PA)V. Bellani (R)M. Patrini (R)M. Galli (R)

Didattica e storia della fisicaF. Bevilacqua (PO)A. De Ambrosis (PA)L. Fregonese (PA)L. Falomo (R)U. Besson (R)

Servizi generali:Amministrativi Tecnici e tecnico-informatici Aus iliari

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)

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 Interuniversitarioper le Scienze Fisiche della Materia) e il CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche). La partecipazione deigiovani non strutturati alle attività di ricerca del Dipartimento, spesso come attori primari, è essenziale peril successo delle ricerche stesse; d’altra parte, la formazione dei giovani alla ricerca e attraverso la ricercaè fra gli obiettivi più importanti del Dipartimento e di tutti i suoi gruppi.


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3 Laboratori NMR-NQR

Si svolge nel gruppo una articolata attività di ricerca nel campo della struttura della materia, con particolareriguardo alle transizioni di fase, al magnetismo e alla superconduttività. Le tecniche utilizzate compren-dono 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 (riso-nanza 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 magneti-camente 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 distudiare il comportamento critico dei materiali in prossimità di transizioni di fase.

Per quanto riguarda i superconduttori, vengono studiate le proprietà microscopiche di base, le corre-lazioni magnetiche di spin, le fluttuazioni superconduttive, la dinamica dei vortici, oltre agli effetti disostituzioni, di granularità e di nanoscala. Sono di interesse anche altri sistemi ad elettroni fortementecorrelati, quali conduttori organici a bassa dimensionalità e composti a fermioni pesanti. Nel campo delmagnetismo, oltre ai sistemi frustrati 3D (ghiacci di spin) sono attualmente oggetto di studio i sistemi abassa dimensionalità quali catene 1D e scale di spin, sistemi 2D con drogaggio di carica e di spin. Unaltro argomento di notevole importanza è l’indagine dei nanomagneti molecolari, riguardo ai fondamentidi magnetismo e di fisica statistica anche con molecole singole (aventi prospettive di applicazione comequantum bit). Vi è inoltre un ampio studio dei mezzi di contrasto per MRI e di sistemi magnetici molecolariper la diagnostica biomedica.

La Fig. 2 mostra alcuni esempi di sistemi di interesse nel campo del magnetismo e della supercondutti-vità. In Fig. 2a è mostrata la struttura di un nuovo sistema magnetico frustrato detto spin ice o “ghiaccio dispin”, che consiste di spin disposti su una struttura di tipo pirocloro in maniera analoga alla disposizionedegli atomi di ossigeno e idrogeno in una delle fasi del ghiaccio. Nello spin ice si ha una competizionefra interazioni magnetiche che comporta una forte degenerazione dello stato fondamentale e quindi unaentropia macroscopica a temperatura nulla, con notevoli conseguenze fenomenologiche. Le misure di tem-po di rilassamento tramite risonanza muonica di spin permettono di risalire allo spettro delle fluttuazionimagnetiche. In Fig. 2b è mostrata l’immagine di microscopia a forza atomica di un campione di ma-teriali organici quasi-monodimensionali (nanowires) della classe delle ftalocianine [AxZnPc (A=Li, Na;Pc=C32H16N8)]. Tali sistemi a bassa dimensionalità sono di interesse per la ricerca della superconduttivi-tà in materiali organici e per la presenza di una diagramma di fase molto complesso derivante dalle forticorrelazioni elettroniche. La Fig. 2c mostra un esempio di struttura di un nanomagnete molecolare, nellafattispecie una molecola con 8 ioni di Fe3+. Poiché lo ione Fe3+ ha uno spin S=5/2, in ragione delle regoledi Hund, gli spin della molecola possono allinearsi dando origine a un superparamagnetismo caratterizzatoda un momento magnetico estremamente elevato. Le nanoparticelle magnetiche sono interessanti sia perstudi di fisica di base, come esempi di sistemi quantistici mesoscopici nei quali possono essere studiate leinterazioni magnetiche da principi primi, sia per le applicazioni biomedicali come mezzi di contrasto nellarisonanza 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, Uni-versità di Parma, Université Montpellier II, Universidad de Granada, IIT, National Nanotechnology Lab.CNR-INFM, Università di Roma La Sapienza, Bruker Biospin, Bracco, Colorobbia



a) c )b)

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 Fe8 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 lostudio delle proprietà strutturali, elettroniche, magnetiche e ottiche di ossidi misti puri e drogati con elemen-ti 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 sottilinanostrutturati di ossidi magnetici diluiti (TiO2, SnO2, KTaO3, SrTiO3 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 (LiNbO3,LiTaO3, K1−xLixTa1−yNbyO3).

La ricerca viene sviluppata in un ambito multidisciplinare tra la scienza dei materiali, la fisica e la chi-mica. La strumentazione disponibile viene utilizzata anche per altre attività: caratterizzazione di materialidi interesse industriale quali polimeri e strutture mono e bidimensionali a base di carbonio, quali nanotubie grafene; datazione di reperti archeologici ceramici; studio tramite spettroscopia microRaman di repertiartistici di interesse per i Beni Culturali; studio di infusi cristallini nei vetri industriali. Fra le applicazionidi queste tecniche al campo dell’archeologia e dei beni culturali, si può menzionare lo studio tramite spet-troscopia microRaman dei pigmenti rossi degli affreschi del castello di Lardirago, lo studio EPR di vetridella Certosa di Pavia e la datazione mediante termo-luminescenza (TL) delle tombe emerse durante loscavo archeologico della cripta della Chiesa di San Felice a Pavia. In quest’ultimo caso, il segnale di TLdipende dal numero di elettroni che vengono intrappolati, a causa della radioattività ambientale, nei livellidi 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 ècomplementare 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’immaginedi microscopia a forza atomica di film sottili nanostrutturati di TiO2 di interesse per la spintronica. Questaè 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 libertàe quindi la possibilità, nella ricaduta applicativa, di un aumento nella densità di dati che possono esserescritti e letti in memorie fisiche opportune. Nel caso in esame, film sottili di diossido di titanio depositati inatmosfera riducente mostrano cicli di isteresi denunciando un comportamento ferromagnetico. In Fig. 3bsono visibili lingotti monocristallini e wafer (fette) di Niobato di Litio (LiNbO3), fra i principali materialidi interesse per l’ottica nonlineare. Le immagini mostrano l’altissima qualità del materiale, che viene



a) b) c )

Fig. 3: Esempi di sistemi studiati nei laboratori Raman-EPR: a) film sottili nanostrutturati di TiO2, b) cristalli diNiobato di Litio (LiNbO3) per ottica nonlineare, c) ossidi magnetici con metalli di transizione (HoBaCo2O5.5).

cresciuto con tecniche simili a quelle del silicio monocristallino. In Fig. 3c è mostrata la struttura delcomposto HoBaCo2O5.5 come esempio di ossido misto contenente ioni di terra rara. Tali materiali sonocaratterizzati da un forte accoppiamento tra gradi di libertà di carica, orbitale e di spin con conseguentiproprietà peculiari a livello elettronico, magnetico e ottico.

Partecipanti: P. Galinetto, M.C. Mozzati, E. Giulotto, V. Bellani, D. MaghiniCollaborazioni: A.F. Ioffe Physico-Technical Institute - S.Petersburg, Fachbereich Physik - Universi-

ty of Osnabrück, Laboratori Nazionali di Frascati, TASC-INFM National Laboratory Trieste, BeamLineBACH - ELETTRA - Trieste, Dept of Mat. Science - Ukrainian Acad.of Sciences - Kiev, Inst. of Phy-sics - 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 ditecniche e su un ampio intervallo spettrale (dal lontano infrarosso all’ultravioletto da vuoto). Oltre allepiù comuni misure di riflettanza, trasmittanza, assorbimento, fotoluminescenza, ellissometria spettrosco-pica e polarimetria, sono implementati sistemi per misure interferometriche o con tecniche modulatorie(foto-, termo- ed elettro-riflettanza, assorbimento fotoindotto), risolte spazialmente con sistemi di micro-focalizzazione o risolte nel tempo sulla scala dei nanosecondi. Ciò consente la caratterizzazione e lo studiodi proprietà elettroniche e vibrazionali di materiali e sistemi nanostrutturati. Viene inoltre operata unacaratterizzazione strutturale avanzata mediante microscopia a forza atomica (AFM).

Fra i principali sistemi studiati vi sono in primo luogo i semiconduttori massivi e le nanostrutture disemiconduttori III-V e di Si-Ge, nonché le nanoparticelle metalliche. Più recente è lo studio dei semi-conduttori polimerici e dei polimeri coniugati, con riguardo alle eccitazioni ottiche e alla dinamica deiportatori di carica. Un vasto campo di ricerca riguarda i cristalli fotonici, ossia i sistemi con variazioneperiodica della costante dielettrica in una, due o tre dimensioni: tali sistemi sono di notevole interesse perla 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’ondae nanocavità a cristallo fotonico in silicio e in semiconduttori III-V per la commutazione ottica e per l’au-mento dell’emissione di luce, nonché i sistemi 3D quali gli opali diretti e inversi. Sono infine di grandeinteresse le superfici nanostrutturate e i sistemi misti dielettrico-metallo con eccitazioni plasmoniche, perlo 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 interesseper la spettroscopia ottica e la nanofotonica. La Fig. 4a mostra un campione con guida d’onda a cristallo



a)

400 nm

b) c )

12 µm

Fig. 4: Esempi di sistemi studiati nei Laboratori di Spettroscopia Ottica (immagini di microscopia elettronica a scan-sione, 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 Si3N4 con cristallo fotonico per la biodetezione di singolemolecole (collab. BIONEM lab - Univ. Magna Graecia), c) superficie nanostrutturata per biosensori: nanopillars diacido 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 infrarossoentra 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 dirifrazione e producono l’all-optical switching (commutazione tutto-ottica) del fascio di prova. In Fig. 4bè mostrato un nano-dispositivo fotonico-plasmonico consistente in una nano-antenna metallica (platinorivestito di oro) su cavità fotonica realizzata in membrana di nitruro di silicio (Si3N4). Il sistema si prestaalla rivelazione di singole/poche molecole depositate sulla punta della nano-antenna: un fascio esterno (farfield) 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 dirivelazione. Infine, in Fig. 4c viene mostrata una superficie nanostrutturata consistente di nano-pillars diacido acrilico (con pallina di polistirene su uno dei pillar) su film di oro: l’acido acrilico è in grado dilegare biomolecole mentre il film di oro supporta plasmoni di superficie, per cui il sistema può operarecome un biosensore che sfrutta lo spostamento della risonanza plasmonica in presenza di modifiche localidell’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, Univer-sity of Glasgow, ICMM-CSIC and IMM-CSIC-Madrid, EU-JRC Ispra, BIONEM Lab e Università dellaMagna 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 infisica della materia, sia riguardanti gli aspetti di base sia in connessione con le attività sperimentali sopradescritte con vari risvolti applicativi. Fra gli argomenti principali in fisica dei solidi e fotonica vi sonogli stati elettronici, le proprietà ottiche e di trasporto dei solidi, i sistemi correlati, le nanostrutture disemiconduttore. Un argomento di particolare interesse negli ultimi anni riguarda gli stati elettronici e iltrasporto 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 semiconduttoria bassa dimensionalità quali i quantum wells e superreticoli, i quantum wires e i quantum dots. Si sonosviluppate inoltre varie linee di ricerca sui cristalli fotonici e sui sistemi a confinamento fotonico quali le



a)

d)

c )

b)

Fig. 5: Esempi di sistemi studiati nei gruppi di Teoria della Materia: a) Grafeni e nanotubi di carbonio (struttura elettro-nica e trasporto), b) nanocavità a cristallo fotonico contenente quantum dots di semiconduttori, c) modelli nematogenidi 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’emissionedi luce e all’ottica non lineare. Vengono seguiti vari approcci semiclassici e quantistici, con un insiemedi tecniche analitiche e numeriche. In Fig. 5b è mostrato un esempio di nanocavità a cristallo fotonicocon forte confinamento del campo elettromagnetico nella regione di cavità. Il sistema è realizzato sumembrane di GaAs e contiene quantum dot auto-assemblati di InAs, ossia sistemi zero-dimensionali disemiconduttore che interagiscono con il modo confinato zero-dimensionale del campo elettromagneticodando origine a fenomeni di accoppiamento forte, correlazioni e nonlinearità quantistiche.

Vi sono ricerche di tipo computazionale su modelli di interazioni della meccanica statistica, per descri-vere sistemi quali liquidi molecolari, cristalli liquidi (anche con fasi nematiche) o spin su reticolo. Lericerche mirano alla predizione di proprietà termodinamiche, strutturali e dinamiche a partire da assegnatipotenziali fra le particelle costituenti, sotto vincoli macroscopici quali temperatura, densità, pressione opotenziale chimico, anche per caratterizzare le eventuali transizioni di fase. La Fig. 5c mostra un esempiodi 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, siaper la fusione controllata nei tokamak (vedi Fig. 5d) che in astrofisica. Viene effettuato uno studio detta-gliato 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 delplasma e per le applicazioni: la descrizione degli effetti di dispersione sulla propagazione di fasci di ondein mezzi dispersivi non-uniformi e il trasporto di radiazione in plasmi magnetizzati dovuto all’emissione dionde 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 dicarattere 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 delloStato Solido - Accademia delle Scienze Bulgara - Sofia, Istituto di Scienze delle Macchine - Accademia



a) c )

d)

b)

e)

Fig. 6: Esempi di sistemi studiati nel gruppo Quantum Information Theory: a) Entanglement (intricazione) di sta-ti 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-Institutfur 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, eriguardano 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 quan-tistiche, la caratterizzazione quantistica di dispositivi e stati quantistici mediante tecniche tomografiche, lacrittografia quantistica, le tecniche di cloning. Le ricerche si sviluppano principalmente nella direzione dinuove tecniche di ottimizzazione per il design di nuovi dispositivi per la tecnologia della quantum infor-mation. A livello fondamentale queste ricerche si collegano con la formulazione di nuovi metodi teorici inmeccanica 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 otti-mizzazione di processi e misurazioni si collegano con problemi generali di learning, automazione e teoriadel controllo.

In Fig. 6 vengono mostrati schematicamente alcuni esempi di applicazioni di grande interesse dellaquantum information. La Fig. 6a mostra la formazione di stati entangled (”intricati”): utilizzando ad esem-pio il fenomeno di conversione parametrica nonlineare possono venire create coppie di fotoni spazialmenteseparati ma le cui polarizzazioni sono correlate. Gli stati entangled rivestono un ruolo cruciale nella codifi-cazione e trasmissione dell’informazione quantistica. In Fig. 6b si mostra la ricostruzione, o tomografia, diuno stato quantistico. La Fig. 6c visualizza la crittografia quantistica, ossia la codifica dell’informazioneper mezzo di chiavi quantistiche. In Fig. 6d è illustrato un semplice processo di ricostruzione quantisticadi dispositivi. Infine in Fig. 6e è mostrato l’anologo quantistico del frequency comb, ben noto in spettrosco-pia atomica ad altissima risoluzione: in questo caso si parla di quantum comb come metodo generale perl’ottimizzazione dell’architettura di circuiti quantistici. Lo sviluppo di questi concetti e applicazioni avràun effetto pervasivo sulla società dell’informazione negli anni futuri.

Partecipanti: G.M. D’Ariano, C. Macchiavello, L. Maccone, M. Sacchi (CNR)



a) c)

b) d)

Fig. 7: Esempi di attività dei gruppi di didattica e storia della fisica: a) modelli per urto anelastico, b) copertinadell’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 2005- Gennaio 2006 (Anno Internazionale della Fisica 2005).

Collaborazioni: Northwestern University, Università di Roma La Sapienza, TU Braunschweig, Tori-no ISI, Waterloo Institute for Quantum Computing and Perimeter, University of Oxford, University ofCambridge

8 Didattica e storia della fisica, museologia scientifica

L’attività del gruppo di Didattica della Fisica è volta a individuare strumenti e metodologie che contribuisca-no al miglioramento dell’insegnamento/apprendimento della Fisica ai vari livelli scolari e della formazionedegli insegnanti. Le ricerche in corso riguardano prevalentemente la elaborazione di percorsi didattici sutemi rilevanti di Fisica; la progettazione e la sperimentazione di modelli per la formazione iniziale e inservizio degli insegnanti; la ricostruzione didattica di argomenti di fisica attraverso l’analisi dei concettifisici di base e lo studio di particolari momenti dello sviluppo storico della disciplina. Due esempi sonoindicati in Fig. 7: la Fig. 7a mostra dei modelli per lo studio degli urti anelastici e della dissipazione dell’e-nergia, mentre la Fig. 7b rappresenta la copertina dell’American Journal of Physics (la rivista educationaldell’American Institute of Physics) tratta dall’articolo del gruppo pavese sull’insegnamento dei fenomenidi 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 culturalidell’epoca. Le ricerche sul XVIII secolo, tra cui quelle su Volta, tengono in vista la complessa competi-zione tra i paradigmi di Cartesio, Leibniz e Newton. Le visuali meccaniciste, elettromagnetiche, termodi-namiche ed energetiste della natura fanno da sfondo alle indagini sul XIX secolo. I notevoli contributi di



Magnetic Nanoparticles in Theranostics:

A ntibody

Magnetic nucleus

B ioc ompatible

s hell

F luores cent

molec uleDrug

Diagnostics:

Therapy:

MRI imaging, contrast agent

Magnetothermia

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 diindagine. Il gruppo è anche impegnato nell’approfondimento del ruolo che la storia della scienza e le nuovetecnologie digitali possono svolgere sia nell’ambito formale dell’istruzione scolastica sia nell’ambito deimusei scientifici, dove ha grande importanza la valorizzazione del patrimonio storico del Dipartimento e/oacquisito da altre sedi (ad esempio il Gabinetto di Fisica di Alessandro Volta e il laboratorio di GalileoGalilei). La Fig. 7c mostra il tavolo di laboratorio originale di Alessandro Volta, con alcuni degli strumentida 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 dal1/11/2005 al 31/01/2006. Un’altra importante mostra, ”The legacy of Volta: from the battery to photo-voltaic electricity” è stata organizzata a Shanghai dal 16 al 30/9/2006 in occasione dell’inaugurazione delCampus Sino-Italiano presso la Tongji University. Sul sito http://ppp.unipv.it/musei/ sono disponibili varipercorsi museali.

Partecipanti: G. Bonera, L. Borghi, F. Bevilacqua, A. De Ambrosis, L. Fregonese, L. Falomo, U. BessonCollaborazioni: (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 vonOssietzky Universität - Oldenburg, National & Kapodistrian University of Athens, Aristotle University ofThessaloniky, 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 daVinci - Milano

9 Nanofisica e applicazioni

Nell’ambito del vasto dominio delle nanoscienze hanno acquisito molto rilievo negli ultimi anni gli aspettidi nanofisica, ossia di studio dei processi fisici su scala sub-micrometrica. Tali aspetti, comuni a varie lineedi ricerca sperimentali e teoriche sopra menzionate, riguardano in particolare i semiconduttori (nanostruttu-re a confinamento quantico quali i quantum wells, wires e dots), i sistemi fotonici (micro- e nanocavità, cri-stalli 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).



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MIUR , E U

Privati

MIUR -E U

49%

UniP V

20%

P riv ati

31%

*Dati al 22/10/2008

Anni 2006-2008* Media s ul triennio

E nti Privati :

F ondazione CARIP LO, industrie, altri enti

Fig. 9: Finanziamenti del DFAV nel triennio 2006-2008: 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 biome-dicale (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 scien-tifica. La fisica applicata e il trasferimento tecnologico verso l’industria si stanno sviluppando in vari settoridi 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. Unananoparticella magnetica (”magnetic nucleus”) viene rivestita di uno strato molecolare biocompatibile peressere poi iniettata nell’organismo. Lo strato biocompatibile può legarsi a specifici anticorpi e localizzarsiquindi in predeterminate zone dell’organismo, ad esempio in un tumore. Se la molecola è fluorescente, ilsuo percorso può essere seguito con metodi ottici. Altrimenti, la diagnostica può essere fatta utilizzando larisonanza 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 contrastodi immagine in seguito agli impulsi a radiofrequenza. Inoltre le nanoparticelle possono fungere anche damezzo per la terapia: la stessa proprietà di superparamagnetismo aumenta considerevolmente l’energiaassorbita dal campo e quindi produce una magnetotermia, ossia un riscaldamento indotto dal campo chepuò essere usato per distruggere selettivamente le cellule tumorali. Le nanoparticelle magnetiche hannoquindi notevoli prospettive di applicazioni biomedicali per la teranostica - diagnostica e terapia con lostesso 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), dallaU.E. (Network of Excellence e progetti tematici), dalla Regione Lombardia. Vi sono inoltre importantifinanziamenti privati erogati da Fondazioni quali CARIPLO e Banca del Monte di Lombardia e da varieindustrie nei settori di ricerca e sviluppo.

Fra le industrie con le quali sono attive collaborazioni alla data del Convegno di Facoltà occorre menzio-nare ST Microelectronics (emissione di luce in silicio), Horiba Jobin Yvon (spettroscopia microRaman),



Bruker Biospin, Bracco, Colorobbia (risonanza magnetica per immagini). Vi è inoltre una stretta collabo-razione 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 portarea collaborazioni industriali nel prossimo futuro, riguardano le celle fotovoltaiche e i mezzi di contrastonella risonanza magnetica per immagini.

In Fig. 9 è mostrata la distribuzione dei finanziamenti ricevuti dal Dipartimento nell’ultimo triennio. Sinota che il contributo dell’Università di Pavia (crediti ricorrenti: fondi di dotazione e fondi di Ateneo perla ricerca) è pressappoco costante e si attesta attorno al 20%. Il contributo degli enti pubblici (MIUR, EUecc) ha avuto un drastico calo nel 2008, a seguito della riduzione del finanziamento di PRIN e FIRB alivello nazionale. Il Dipartimento ha compensato questo calo attraverso un aumento del contributo di entiprivati - in primo luogo la Fondazione CARIPLO, che sta assumento un ruolo primario di finanziatore dellericerche attraverso i bandi per la ricerca applicata. I contributi complessivi degli enti privati sono crescentinel triennio e la media si attesta attorno al 30%. Si arriva quindi a una inevitabile conclusione (validaprobabilmente 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 attrarrefinanziamenti privati. La ricerca fondamentale (”curiosity driven”, per usare un termine poco felice ma dimoda) 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 essiP. Carretta, G.M. D’Ariano, A. De Ambrosis, L. Falomo, L. Fregonese, P. Galinetto, A. Lascialfari, F. Marabelli, A.Rigamonti, S. Romano.


Fisica Le ricerche nel Dipartimento di Fisica “Alessandro...

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