Chip e laser, fratelli di silicio

In principio era il laser a gas. Poi venne quello a semiconduttori. Ora grazie a uno studio congiunto dell’Università di Trento e dell’Università di Catania, e promosso dall’Istituto nazionale per la fisica della materia tra qualche anno potremo utilizzare anche il laser al silicio. Un vero sogno per i ricercatori e gli ingegneri che stanno progettando il nostro futuro. Perché significherebbe la fusione della tecnologia dei laser con quella dei microchip (in cui il silicio regna incontrastato), un incontro che promette computer ultracompatti e superveloci, una rivoluzione nelle telecomunicazioni via fibra ottica il tutto a costi decisamente bassi. Pochi erano finora disposti a scommettere su un risultato del genere. Perché il silicio non aveva mai mostrato le proprietà necessarie al suo utilizzo nella costruzione di un laser.

“Il vantaggio principale di un laser al silicio sta proprio nel fatto che… è di silicio”, afferma Lorenzo Pavesi, professore di Fisica generale dell’Università di Trento e autore dello studio insieme a Francesco Priolo dell’Università di Catania. “Il silicio domina il 95 per cento del mercato dei dispositivi a semiconduttore. Quando si realizzerà un laser al silicio si guadagnerà rispetto ai costi, all’integrazione e alla produzione. Oggi, per integrare laser ed elettronica nello stesso chip è necessario un approccio ibrido: l’elettronica sul silicio e l’opto-elettronica (i laser) su semiconduttori come il gallio-arseniuro. Questo richiede l’impiego di una doppia tecnologia e costringe a una produzione “bassa” perché bisogna incollare i laser uno alla volta sui circuiti elettronici con operazioni principalmente manuali. Il silicio, inoltre, è un materiale molto economico, diffuso in tutto il mondo. Per esempio la comune sabbia delle spiagge è costituita soprattutto di silice. Un millimetro quadrato di chip al silicio costa circa un centesimo di dollaro, mentre un millimetro quadrato di chip al gallio-arseniuro costa circa 2 dollari”. I risultati dello studio assumono poi maggiore importanza anche per i suoi possibili impieghi nel campo delle telecomunicazioni. I laser a semiconduttore, infatti, sono diventati il fulcro della “società dell’informazione”. Attraverso le fibre ottiche, ogni giorno si trasmettono a grandi velocità quantità di informazioni solo ieri impensabili.

Insomma, il lavoro portato avanti nei laboratori di Trento e Catania è di quelli che lasciano il segno. I risultati di Pavesi e Priolo sono finiti non solo sulle pagine delle più prestigiose riviste scientifiche internazionali (come Nature che ha dedicato al lavoro un articolo di commento), ma anche su quelle ben più lette del New York Times. E da qui a destare interessi ancora più interessanti il passo è breve. Così, nello studio di Pavesi, è arrivata la telefonata nientemeno che di George Soros, il potente finanziere americano, pronto, si dice, a finanziare le ricerche. A denti stretti Pavesi ammette il contatto, ma glissa su ogni altro commento: “Posso solo dire che Soros non è l’unico interessato al nostro lavoro, ci sono anche finanziatori italiani”.

Finora il silicio è stato considerato un materiale inadatto per realizzare un laser perché non è in grado di amplificare la luce. Quando un fascio luminoso attraversa uno strato di silicio esso viene in parte assorbito dal materiale e ne riemerge con una potenza diminuita. Esattamente come avviene per la maggior parte dei materiali. Il cuore di un laser è invece costituito da materiali che, obbedendo alle leggi della meccanica quantistica, sono in grado non di assorbire, ma di amplificare la luce che li attraversa. I ricercatori italiani hanno dimostrato che costruendo micro-briciole di silicio grandi qualche milionesimo di millimetro, il materiale diventa capace di amplificare la luce.

Da qui a realizzare un laser al silicio però la strada è ancora lunga. Ci sono altri due ostacoli fondamentali. Primo: la realizzazione della cosiddetta cavità ottica, il dispositivo in grado di rendere il fascio luminoso coerente e monocromatico, le due caratteristiche principali della luce laser. Secondo: il pompaggio elettrico del silicio, cioè il procedimento che rende il materiale capace di amplificare la luce. “Una cavità ottica”, spiega Pavesi, “si realizza solitamente con due specchi integrati nel materiale stesso. E ciò non è terribilmente difficile. Il pompaggio elettrico sembra al giorno d’oggi più arduo da realizzare poiché i nanocristalli di silicio che abbiamo usato sono costituiti da ossido di silicio, un materiale isolante attraverso il quale la corrente non passa facilmente”.

Ma cosa cambierà nella nostra vita di tutti i giorni? “Parecchio, dal punto di vista economico ed estetico-pratico”, conclude Pavesi, “per esempio: un computer, che oggi è formato da uno schermo e da un’unità logica separati, potrà essere realizzato su un unico supporto, dallo spessore simile a quello di una carta di credito, che conterrà tutto ciò che ora è in un computer portatile. Con la convivenza di elettronica e optoelettronica sullo stesso materiale, potremo parlare, di un laser intelligente, che ha nel suo stesso chip l’elettronica di controllo e quella di comando”.

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here