Attività di ricerca
Le principali aree di ricerca del Laboratorio Nanoscience (NL) sono la fotonica neuromorfa, la fotonica quantistica integrata, la fotonica al silicio lineare e non lineare, e le nano biotecnologie. La missione di NL è di generare nuove conoscenze e di sviluppare applicazioni derivate dai fenomeni fisici associati ai fotoni e alle loro interazioni con la materia, in particolare quando è nanostrutturata. NL copre l'intera filiera, dai fenomeni fondamentali alle applicazioni dei dispositivi su di una piattaforma compatibile con le principali tecnologie microelettroniche al silicio. Tuttavia, il silicio non è l'unico materiale studiato. Altri campi di interesse riguardano l'uso della nano-cellulosa o l'uso delle perovskites.
Nanofotonica del silicio
La fotonica al silicio è la tecnologia in cui i dispositivi fotonici sono prodotti da processi microelettronici standard che utilizzano lo stesso paradigma dell'elettronica: l'integrazione di un gran numero di dispositivi per produrre un'elevata complessità circuitale, che permette alte prestazioni e bassi costi. L’idea è sviluppare dispositivi fotonici che possono essere facilmente integrati per migliorare le prestazioni del singolo dispositivo e per consentire elevati volumi di produzione.
Nei prossimi anni ci concentreremo principalmente su due approcci alternativi agli schemi computazionali classici dove la fotonica viene utilizzata per elaborare le informazioni. Da un lato svilupperemo un nuovo schema per implementare schemi di machine learning in un chip ottico utilizzando il calcolo neuromorfico. Particolare attenzione sarà rivolta alla realizzazione di strutture ibride dove chip ottici interagiscono con reti biologiche di neuroni. Dall'altro lato, useremo la fotonica al silicio per abilitare una piattaforma adatta alla computazione o simulazione quantistica. In entrambi gli approcci il dispositivo fondamentale è il microrisonatore ad anello dove modi di galleria induco non linearità che possono essere sfruttate per generare nuovi stati quantistici di luce o per realizzare reti neurali ricorrenti a serbatoio. Inoltre, utilizziamo micro-dischi o micro-ring per studiare nuova fisica indotta da rotture di simmetrie (chiralità, generazione di pettini di frequenza, generazione di fotoni entangled).
Per sviluppare la fotonica al silicio, un ulteriore aspetto consiste nel forzare il silicio a fare qualcosa che non è in grado di fare nella sua forma standard (bulk). Il silicio a bassa dimensione, ovverro la formazione di nanocristalli di silicio (Si-nc), è un modo per costringere il silicio ad agire come materiale ottico attivo. In alternativa, usiamo i campi elettrici indotti da giunzioni laterali p-i-n per indurre proprietà ottiche non lineari in guide d'onda in silicio per sviluppare nuove sorgenti MIR (generazione parametrica tramite effetti di secondo ordine o generazione di pettini di frequenza).
Nanobiotecnologie, antiossidanti e salute umana
Tutti gli aspetti relativi alle interfacce nano-bio (che sono le strutture dove è evidente la coesistenza di principi fisici e molecole biologiche) sono un campo di ricerca importante. La ricerca principale riguarda la progettazione, la sintesi e il comportamento dinamico delle bio-interfacce nanostrutturate. In particolare stiamo lavorando su tre temi di ricerca: nanosistemi a base di silicio e titanio; rilevazione di singole molecole e comportamento antiossidante di sistemi di micelle; polimeri e strutture nanoporose.
Al di là delle applicazioni tradizionali dei sensori, le nanostrutture di silicio possono essere utilizzate come "nanosensori", che monitorano gli eventi intracellulari senza introdurre perturbazioni irreversibili. A questo proposito i punti quantici di silicio che emettono luce appaiono molto promettenti. Stiamo studiando il rivestimento delle nanoparticelle per aumentare la stabilità ottica e diminuirne la tossicità. Altri aspetti sono la coniugazione a molecole biologiche e le strategie per aumentare l'assorbimento cellulare e la localizzazione intracellulare di controllo. Infine abbiamo sintetizzato nanotubi di titanio che mostrano interfacce ricche di idrossile. Questi nanosistemi sono facilmente dispersi e stabili in soluzioni acquose e mostrano un'elevata attività fotocatalitica.
Componenti del gruppo
- Coordinatore Lorenzo Pavesi
- Professori Stefano Azzini, Paolo Bettotti, Zeno Gaburro, Marina Scarpa
- Ricercatori Stefano Biasi, Beatrice Vignoli
- Assegnisti Alessio Baldazzi, Riccardo Franchi, Nicolò Leone, Clara Zaccaria
- Dottorandi Salamat Ali, Giovanni Donati, Matteo Sanna, Asiye Malkoc, Seyedeh Yasaman Heydari, Emiliano Staffoli, Gianmarco Zanardi
- Staff tecnico Michele Bommassar, Elvira D'amato
- Staff amministrativo Chiara Rindone, Camilla Kandamulla A.