Dall’orologio atomico ai nano sensori del futuro: tutti i segreti dell'Inrim

Per accedere alla sala “pulita” bisogna prima prendere delle precauzioni. Lo scopo è quello di limitare il rischio di portate all’interno polveri e particelle che possano danneggiare la funzionalità dei microchip. Calzari per le scarpe, mascherine, e tuta. Anche la pressione all’interno del laboratorio è leggermente aumentata per evitare che l’aria esterna possa filtrare. Ci troviamo negli spazi del Piquet (Piemonte Quantum Enabling Technology), dove si studia come ridurre la tecnologia quantistica a dimensioni “micro”. «Qui si progettano i sensori miniaturizzati del futuro» spiega Davide Calonico, responsabile della divisione Metrologia Quantistica e Nanotecnologie del centro. I laboratori si trovano all’interno del campus Inrim (l’Istituto nazionale di ricerca metrologica), dove è custodito anche un orologio atomico al Cesio. Uno dei dieci al mondo che regola il tempo a livello internazionale.

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Calonico, a cosa state lavorando in questo momento?
«Abbiamo un grande progetto coordinato dalla dottoressa Giulia Aprile, che si occupa di sensori quantici miniaturizzati. Parliamo di orologi atomici, ma non solo. Stiamo lavorando anche a un sensore di temperatura e un magnetometro».
Quali possono essere i campi di applicazione di questo tipo di studi?
«Diciamo che in questa fase storica c’è una tendenza diffusa alla miniaturizzazione di tutti i dispositivi. È un tipo di tecnologia che può essere applicata per i Gps, ad esempio. Ma più in generale per tutti i dispositivi di telecomunicazione e navigazione. Anche il campo della bio medicina appare fortemente interessato a queste evoluzioni tecnologiche. Tutta la diagnostica non invasiva guarda con attenzione all’uso di sensori sempre più piccoli».
Qual è lo scopo di questo laboratorio?
«Coniughiamo la micro e nano fabbricazioni con tecnologie quantistiche. Lo scopo principale è quello di produrre dispositivi di dimensioni sempre più piccole ma di uguale capacità. Facciamo ricerca, creiamo prototipi e ci occupiamo di trasferimento tecnologico. I campi di applicazione possono essere svariati. Penso a quello aerospaziale, ad esempio. Per andare nello spazio serve portarsi dietro tecnologie agili e ridotte».
Quando è nato il centro?
«Il centro Piquet è stato realizzato tra il 2014 e 2020, in piena pandemia, grazie al co-finanziamento del Por Fesr Piemonte. Il primo asse del progetto prevede ricerca, sviluppo tecnologico e innovazione. Il secondo, invece, si occupa di sostegno alle infrastrutture considerate critiche o cruciali per i sistemi regionali».
Diciamo che qui possiamo vedere alcune ricadute pratiche dei fondi Pnrr?
«È così. Grazie ai fondi Pnrr abbiamo potuto acquistare alcuni macchinari fondamentali. Il nostro campo da gioco è la ricerca internazionale e puntiamo a creare filiere complete».
Cosa intende per filiera completa dei sensori?
«Innanzitutto, bisogna creare un substrato. Per semplificare, si parte dal Silicio e gli si depositano sopra altri materiali. Poi si possono fare dei processi chimici o fotolitografici. Diciamo che si va a stampare sul materiale una serie di circuiti e strutture. Dopodiché, si possono fare anche degli scavi. Si taglia il tutto e poi si testa, con microscopio elettronico o anche con quello atomico».
Cosa succederebbe se l’area “pulita” si dovesse contaminare?
«Qui costruiamo delle strutture a nano scala. Se si depositano delle polveri c’è il rischio che non funzionino più. O che comunque vengano compromesse. Inutile dire che per chi sta lavorando sarebbe un bel problema. I materiali sono esposti all’atmosfera e per questo le precauzioni sono fondamentali. Parliamo di micrometri di circuito. Se si contaminano, bisogna ricominciare da capo».

L’Inrim è un centro di eccellenza a livello italiano. Qui sono custoditi i campioni di riferimento di metro, chilogrammo, secondo, ampere, kelvin, mole e candela. È vero che vi studiano come modello?
«Assolutamente sì. Il centro mette il territorio nazionale in primo piano e, anche a livello locale, è un fiore all’occhiello».
Avete uno dei dieci orologi atomici che realizzano il tempo internazionale. Segna l’ora esatta. Ci spiega come fa?
«Partiamo col dire che la meccanica quantistica è universale. Lo spettro a righe della chimica predice che un atomo interagisca solo tra alcuni livelli energetici. La differenza tra questi salti corrisponde a una frequenza. Negli anni ’60 hanno scelto due stati del Cesio. Così prendiamo gli atomi di Cesio, li facciamo evaporare e li mandiamo su una frequenza. Se la frequenza è giusta faranno un salto. Questo è il meccanismo fondamentale».
Si può dire che gli atomi in qualche modo “ticchettano”?
«È così. Ticchettano a frequenze ben precise».