Fotonica: dai processi fisici ai componenti e sistemi e relative applicazioni (DFM.AD005)

Project area

Department

Physical sciences and technologies of matter

The quality

La Fotonica è una delle sei tecnologie chiave abilitanti individuate dalla Commissione Europea come tecnologie strategiche per sostenere la competitività industriale da un lato e per rispondere alle sfide poste dalla società contemporanea in termini di benessere e sicurezza dei cittadini e di sviluppo sostenibile dall'altro. Nell'ambito di Horizon 2020, su iniziativa congiunta della piattaforma tecnologica Europea Photonics21 e dell'Unità Fotonica del DG CNECT della Commissione Europea, è stata approvata una Public Private Partnership, al fine di garantire un budget dedicato a supporto della ricerca e innovazione in tale area. Analogamente, Stati Uniti e Canada stanno investendo in importanti programmi di ricerca, sviluppo e innovazione nel settore della Fotonica, al pari di Giappone, Corea e, sia pure in modo meno focalizzato, di Cina e Taiwan. La tematica è seguita con notevole interesse anche dai Paesi emergenti e da quelli in via di sviluppo che ne percepiscono le grandi potenzialità in termini di green economy. Si tratta quindi di un'area di grande rilievo. A testimonianza dell'importanza della fotonica, l'anno in corso (2015) è stato dichiarato con risoluzione dell'ONU e su patrocinio dell'UNESCO Anno Internazionale della luce e delle tecnologie basate sulla luce e le attività svolte e tuttora in corso in tutto il Mondo sono proprio volte a sottolineare la pervasività della luce e delle tecnologie fotoniche nella società contemporanea e il loro impatto sulla società futura.
Accanto alle potenzialità applicative, non va dimenticato il grande contributo che la fotonica ha dato e può dare per l'acquisizione di nuove conoscenze nel campo delle scienze di base, in particolare nella fisica atomica e molecolare, nella biofisica, nella fisica dei sistemi a bassa dimensionalità e nelle tecnologie dei plasmi.

Goals

L'area progettuale si pone l'obiettivo di svolgere ricerche nel campo della fotonica avanzata e delle sue applicazioni, con un approccio interdisciplinare aperto all'interazione con le altre tecnologie chiave abilitanti, in particolare nanotecnologie, materiali avanzati, micro/nanoelettronica, advanced manufacturing. Partendo dalle competenze di fisica atomica e della materia e combinandole con un approccio tecnologico avanzato e un'apertura interdisciplinare, sarà possibile ottenere eccellenti risultati sia nelle scienze di base (studio della materia fino al livello atomico e molecolare mediante interazione radiazione-materia in condizioni di "luce estrema" per caratteristiche temporali, spettrali o di intensità, fisica dei plasmi, fusione termonucleare controllata), sia nelle applicazioni grazie alla progettazione e realizzazione di dispositivi e sensori innovativi, all'uso di materiali avanzati, a metodologie e tecnologie innovative per diagnostica e imaging. L'intrinseca trasversalità dell'Ottica e della Fotonica consentiranno di dare un impulso importante e di raggiungere un impatto significativo in molti settori applicativi che vanno dalle tecnologie dell'informazione e delle comunicazioni al risparmio energetico, dalla salute all'agroalimentare (monitoraggio della sicurezza e qualità dei cibi), dalla sicurezza dei cittadini ai trasporti "intelligenti", dalle metodologie e tecnologie per il monitoraggio e manutenzione preventiva del patrimonio artistico al monitoraggio e diagnostica ambientale, dall'imaging e diagnostica molecolare alle applicazioni aerospaziali. Obiettivo finale dell'area progettuale è quello di contribuire, con il supporto dell'altra tecnologia abilitante di area ICT, la micro/nanoelettronica, allo sviluppo dell'agenda digitale, ponendo le basi infrastrutturali (sensori, dispositivi intelligenti, sistemi di monitoraggio, ecc.) per l'internet of things e per l'implementazione del modello smart buildings, smart cities, e smart communities.

Outline of research in an international context

Il settore della Fotonica è fra quelli che hanno visto il maggiore avanzamento negli ultimi decenni sia nel campo delle scienze di base sia come impatto applicativo, tanto che circa la metà dei premi Nobel attribuiti per la Fisica e alcuni di quelli attribuiti per la Chimica si possono far risalire a tale area. Si possono individuare alcune aree di frontiera che vedono il massimo impegno a livello internazionale:
- La nanofotonica che vede due aree principali: da un lato l'utilizzo di nuovi materiali nanostrutturati, di metamateriali e di materiali bidimensionali (grafene, oggetto di una importante flagship, ma anche silicene, fosforene, ...) che permettono di manipolare la luce in modo non convenzionale, come ad esempio nell'applicazione emergente delle lenti piatte; dall'altro le tecnologie che consentono il superamento del limite di diffrazione e quindi una "superrisoluzione" nella microscopia ottica.
- L'ottica quantistica che, utilizzando i fotoni come qubit, apre nuovi scenari nel mondo dell'informazione, delle comunicazioni, ma anche della sensoristica (vedi Area progettuale "Scienze e Tecnologie Quantistiche").
- La cosiddetta "luce estrema", intesa in senso lato (caratteristiche temporali quali impulsi ultracorti, caratteristiche spettrali dall'X-UV ai THz e pettini di frequenza, sorgenti ultraintense) che consente di utilizzare la radiazione come strumento estremamente versatile e potente sia come sonda per studiare la materia, sia come "utensile" per advanced manufacturing. In questo campo da sottolineare l'importante investimento Europeo e la costituzione dell'Extreme Light Infrastructure-Delivery Consortium, il progetto Eurofel oltre al network di facilities LaserLab.
Di notevole rilievo gli investimenti per rafforzare la collaborazione fra mondo della ricerca e mondo industriale (in particolare PMI) attraverso progetti di nuova concezione dedicati alla creazione di reti di supporto per lo sviluppo congiunto di prodotti e processi altamente innovativi.

Outline of research in a national context

La ricerca Italiana vanta un posizionamento internazionale di grande rilievo nell'area dell'Ottica e della Fotonica, con una presenza importante in tutti i settori di frontiera sopra menzionati. Buona anche la posizione dal punto di vista della presenza industriale. Con un market share dell'8% del mercato Europeo delle industrie fotoniche l'Italia si posiziona infatti al quarto posto dopo Germania, Regno Unito e Francia, alla pari con i Paesi Bassi che godono però dell'importante presenza della Philips. Da non trascurare l'effetto positivo dell'indotto, basti pensare all'industria del design che ruota intorno al mondo dell'illuminazione e in cui l'Italia vanta una leadership indiscussa.
Dal punto di vista delle infrastrutture vale la pena menzionare:
- Fab per la progettazione e realizzazione di dispositivi fotonici, fra cui: INPHOTEC a Pisa, nodo di ACTPHAST; PoliFab a Milano; L-NESS a Como; il Centro Materiali Microsistemi di FBK a Trento; le facilities del CNR distribuite su tutto il territorio nazionale;
- Laboratori di micro e macro-lavorazioni laser, inclusa la stampa 3D, fra i quali: SITEC-Politecnico di Milano, laboratori congiunti CNR-Università distribuiti sul territorio nazionale;
- I laboratori laser ad impulsi corti dell'IFN a Milano e Padova, dell'ISM a Potenza e Roma, dell'INO a Pisa, dello IOM a Trieste e nell'ambito del network LaserLab Europe i laboratori LENS a Firenze e CUSBO a Milano;
- I laboratori Beyond Nano del dipartimento DSFTM presso Catania, Lecce e Rende per lo studio dell'accoppiamento forte luce materia e dei dispositivi optoelettronici avanzati
- Litografia Olografica, di Pozzuoli.
Le facilities sopra menzionate svolgono un importante ruolo di hub di ricerca, sviluppo e innovazione e sono aperte all'utilizzo sia da parte di ricercatori esterni che da parte delle industrie.
Da sottolineare infine, sulla ricerca di base, l'ottima percentuale di finanziamenti ERC di tutti i livelli (starting, consolidator e advanced grants).

Positioning of Cnr

Il CNR e in particolare il DSFTM hanno competenze di assoluta eccellenza in ambito nazionale e internazionale per quanto riguarda lo sviluppo di sorgenti laser altamente innovative e capaci di generare luce "estrema" per caratteristiche temporali, spettrali e di intensità, la fotonica in materiali dielettrici (vetrosi e cristallini), in materiali semiconduttori (organici e inorganici) e in materiali superconduttori, la spettroscopia avanzata (inclusi pettini di frequenza, SHG, CARS, microRaman, ecc.), le microscopie ottiche, l'elettronica quantistica, l'ottica, la micro e nanoottica, l'ottica adattiva, i materiali bidimensionali, nanostrutturati e i metamateriali, le tecnologie di fabbricazione avanzate (litografia a fascio elettronico, deposizione di film sottili, scrittura diretta di circuiti ottici mediante laser a femtosecondi, micro- e nano-strutturazione laser, polimerizzazione a due fotoni, lavorazioni laser, ecc.), la polaritonica la plasmonica, la micro e nano-optofluidica, l'imaging, l'olografia digitale, le tecniche di interferometria ottica, la sensoristica, le scienze e tecnologie dei plasmi, tecniche avanzate di ellissometria spettroscopica, integrazione di dispositivi fotonici con materia soffice, e tecniche ottiche per il controllo non distruttivo di materiali e componenti in ambito aerospaziale e nei beni culturali. Tali competenze consentono di coprire tutta la filiera della fotonica, dalla scienza di base alle applicazioni, partendo dal TRL 1-2 fino al TRL 5 e, in collaborazione con le industrie, fino al TRL 7-8. Data la pervasività della fotonica e la naturale evoluzione verso un approccio cross-KET, la presenza all'interno del CNR in generale, e del DSFTM in particolare, di vaste competenze interdisciplinari costituisce un indubbio vantaggio competitivo sia nel panorama nazionale sia in quello internazionale.

The main activities performed

o Sorgenti coerenti nell'infrarosso e nella regione THz, sorgenti metrologiche assistite da generatori di pettini ottici di frequenza; sorgenti nel lontano ultravioletto e raggi X, tecniche non lineari di conversione di frequenza; laser di alta potenza
o Tecniche e dispositivi fotonici, optoelettronici, optoacustici, microoptofluidici e plasmonici per applicazioni ad ambiente, beni culturali, bio-medicina, tecnologie produttive ed ICT; biofotonica
o Nuovi materiali e micro-dispositivi: micro/nano ingegnerizzazione di materiali per la fotonica, sistemi disordinati e ordinati, sistemi fotonici basati su materiali bidimensionali
o Tecniche di manipolazione ottica
o Micromachining con laser a femtosecondi per dispositivi fotonici e microfluidici integrati
o Micro-optofludica e metodi di diagnostica ottica per Lab-on-a-Chip
o Imaging 3D e display di tipo olografico dalla scala microscopica alla scala macroscopica
o Ottica coerente ed imaging per la diagnostica e caratterizzazione di materiali, processi e dispositivi e per la diagnostica avanzata e la biomedicina
o Imaging a contrasto quantitativo di fase
o Nanoparticelle di oro biocompatibili per applicazioni dalle scienze di base a drug delivery controllato
o Fotonica degli alti campi e Plasmi: produzione di impulsi ultracorti per generazione di armoniche e attosecondi, plasmi indotti da laser, accelerazione laser di ioni ed elettroni. Laser per applicazioni al settore Energia
o Rivelatori operanti nella regione del terahertz (0.1 - 10 THz) con transistor ad effetto di campo nanostrutturati
o Sistemi laser per applicazione alla conservazione del patrimonio culturale
o Plasmi e laser in applicazioni ambientali: applicazioni di tipo spettroscopico e applicazioni per l'abbattimento di inquinanti
o Tecniche sperimentali per la caratterizzazione microscopica dei plasmi di tipo elettrico ed ottico
o Sviluppo di dispositivi optoelettronici avanzati basati su semiconduttori inorganici, organici e ibridi

The planned activities

Le attività previste riguardano sviluppi avanzati delle tematiche di fotonica già presenti all'interno del DSFTM e si avvalgono di una sempre maggiore integrazione con le altre tecnologie chiave abilitanti e in particolare materiali avanzati, micro/nanoelettronica, nanotecnologie e tecnologie di fabbricazione avanzate.
Per quanto riguarda le ricerche di base, i settori chiave riguarderanno la generazione di luce "estrema" per caratteristiche temporali, spettrali e di potenza e la sua applicazione allo studio della materia a livello atomico e molecolare e alla manipolazione ottica della materia. Inoltre verranno caratterizzati otticamente i materiali fotonici di nuova generazione (metamateriali, materiali bidimensionali, materiali nanostrutturati).
Dal punto di vista applicativo, verranno esplorate le nuove frontiere della fotonica con particolare attenzione ai campi di applicazione in grado di rispondere alle principali sfide della società contemporanea e dello sviluppo sostenibile: benessere dei cittadini, sicurezza, comunicazioni veloci e sicure, ambiente, produzione di energia e risparmio energetico, salute, agroalimentare, sensoristica, trasporti, qualità e sostenibilità della produzione industriale, conservazione del patrimonio culturale, ecc. Particolare attenzione verrà posta nello sviluppo e realizzazione di componentistica innovativa e sistemi fotonici avanzati da integrare nelle piattaforme per smart buidings, smart cities e smart communities.

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Keywords

Fotonica, Ottica, Olografia/interferometria, Imaging per lab-on-a-chip, Controlli Non Distruttivi, Ipertermia ottica, Nanofotonica, Nanoottica, Laser, Extreme light, Fotonica a raggi X,, Plasmonica, Cristalli fotonici, Ottica quantistica, Ottica integrata, Dispositivi fotonici, Ottica adattiva, Sensori ottici, Fibre ottiche, Imaging, Superrisoluzione,, Spettroscopia, Ellissometria, Spettroscopica, Pettini di frequenza, Optoacustica, Optofluidica, Microottica, Microoptofluidica, Ottica diffrattiva, Impulsi ultracorti, Tecnologie dei plasmi, Fotovoltaico

Projects

Last update: 21/12/2024