Introduzione
La parola Fisica deriva dal termine greco φύσις che
significa “natura”. Fino alla fine del diciottesimo secolo, lo
studio della natura era l’oggetto di un’unica materia, la “filosofia
naturale”. Con l’aumentare delle conoscenze, si sono
sviluppate due discipline separate per lo studio della natura: le
scienze biologiche, che hanno per oggetto lo studio degli
esseri viventi, e le scienze fisiche, come la Fisica e la
Chimica, che si occupano invece della materia inanimata. La
Fisica, in particolare, studia i costituenti della materia e le loro
interazioni per spiegare i fenomeni naturali e le proprietà della
materia. Tale studio è condotto mediante l’applicazione del
metodo scientifico o metodo sperimentale, la cui prima
formulazione si deve a Galileo Galilei (1564-1642). Il metodo
scientifico sta alla base anche di altre scienze quantitative,
come la Chimica, la Biologia e l’Astronomia. Esso consiste
innanzitutto nella osservazione di un fenomeno, nella sua ripetizione in un laboratorio, eliminando i fattori
ritenuti inessenziali e variando le cause che lo determinano.
Ciò richiede la misura accurata di alcune quantità ben determinate, dette grandezze fisiche, e la ricerca di
relazioni che le leghino tra loro, cioè di leggi fisiche. Il confronto tra leggi fisiche consente l’individuazione
dei principi fondamentali che governano una certa classe di fenomeni. Tutte le conseguenze che possono
essere dedotte da questi principi formano una teoria fisica: essa, oltre ad includere le leggi fisiche a partire
dalle quali era stata costruita, consente di determinare altre leggi e predire così i risultati di nuovi
esperimenti. Una teoria fisica è valida finché le verifiche sperimentali cui è sottoposta non diano risultati in
disaccordo con le sue previsioni. L’applicazione del metodo scientifico in Fisica ha mostrato che fenomeni
apparentemente diversi sono governati dalle stesse leggi e che un
piccolo numero di principi consente di interpretare e prevedere un
campo di esperienze vastissimo. Tutta la statica e la successione dei
corpi, cioè tutta la Meccanica classica, sono costruite su tre soli
principi e una singola legge, la legge di gravitazione universale
formulata da Isaac Newton (1643-1727), governa il moto di un sasso
lanciato da un ragazzo, l’alternanza delle maree, la traiettoria di un
missile balistico, le proprietà del moto dei corpi celesti ed è
responsabile della formazione delle nebulose, delle stelle e delle
galassie. Allo stesso modo, le equazioni di James Maxwell (18311879) quando furono formulate sintetizzarono in quattro semplici
relazioni la descrizione di tutti i fenomeni elettrici e magnetici e
consentirono di predire l’esistenza delle onde elettromagnetiche. Per
dare un’idea della vastità del loro campo di applicazione, basti
osservare che esse descrivono al tempo stesso il funzionamento dei
circuiti di un normale apparecchio telefonico e le proprietà delle onde
elettromagnetiche, da quelle attive nei forni a microonde a quelle che
riceve o trasmette un telefono cellulare a quelle che i nostri occhi
percepiscono come i colori dell’arcobaleno fino ai raggi X delle lastre
radiografiche. Quando l’osservazione sperimentale è in disaccordo con
la teoria è necessario riformulare uno o più dei suoi principi in modo da
costruire una nuova teoria che riproduca i risultati di quella precedente,
nel contesto in cui essa è valida, ed abbia un campo di applicabilità più
esteso per includere anche i fenomeni che la prima non riesce a
spiegare. Ciò avviene continuamente e determina la vitalità dello
sviluppo della Fisica. Un esempio è quello che risale a circa un secolo
fa, quando si è trovato che la Meccanica classica è inadeguata per lo
studio di fenomeni in cui le velocità dei corpi sono prossime a quella
della luce o per lo studio di processi che si svolgono all’interno di atomi
e nuclei. Per la descrizione della prima classe di fenomeni è stata
formulata da Albert Einstein (1879-1955) la Meccanica relativistica.
Essa riproduce i risultati della Meccanica classica nel limite di bassa
velocità dei corpi e prevede ad esempio che la durata media della vita
di una particella che si muove a velocità vicine a quella della luce è
molto maggiore di quella determinata nel sistema in cui essa è ferma.
Per la descrizione dei fenomeni alle scale atomiche e nucleari è stata
sviluppata la Meccanica quantistica, la cui costruzione ha impegnato i
migliori fisici teorici e sperimentali dell’inizio del Novecento. Essa
prevede ad esempio che per un atomo sono possibili solo alcuni ben
determinati valori discreti dell’energia e che è possibile passare da un
livello energetico all’altro assorbendo o emettendo l’energia necessaria
sotto forma di quanto di luce o fotone. Le nuove teorie fisiche che sono
state formulate hanno profondamente cambiato i concetti di spazio,
tempo e misura (con conseguente impatto anche in campo filosofico).
Oggigiorno il campo di azione della Fisica è vastissimo ed include
tra le altre le seguenti aree: Meccanica dei corpi, Meccanica dei fluidi,
Termodinamica,
Acustica, Ottica, Onde
ed Elettromagnetismo,
Relatività, Meccanica
Quantistica,
Fisica
Atomica e Molecolare, Fisica degli Stati Condensati, Fisica
del Plasma, Fisica Nucleare, Fisica delle Particelle
Elementari. A questi vanno affiancati i settori di ricerca con
connotati interdisciplinari come Astrofisica e Cosmologia,
Biofisica, Fisica dell’Ambiente, Fisica Sanitaria e Geofisica.
Un discorso a parte merita il settore della energetica, a
causa della rilevanza che le questioni connesse con il
risparmio e la produzione di energia hanno per la società: a
tali questioni possono rispondere positivamente la ricerca in Fisica Nucleare con gli studi sulla fusione dei
nuclei e quella sulla Fisica dell’idrogeno. Infine vale la pena di citare due indirizzi di ricerca di recente
sviluppo, come la Fisica Astroparticellare, che coniuga le
conoscenze e gli strumenti dell’Astrofisica e quelli della
Fisica delle Particelle Elementari per ricostruire la storia
dell’Universo dai primi istanti di vita fino ad oggi, e la
Econofisica, che applica i metodi della Meccanica Statistica
allo studio del comportamento di sistemi complessi come ad
esempio i mercati finanziari.
Come già accennato, la Fisica ha molteplici connessioni con
numerose altre discipline. Essa ha innanzitutto un rapporto
privilegiato con la Matematica: le leggi fisiche sono espresse
mediante relazioni matematiche tra grandezze fisiche. La
Fisica ha bisogno degli strumenti e dei metodi della
Matematica non solo per formulare le leggi fisiche, che
spesso possono essere espresse in forme di mirabile sintesi
ed eleganza, ma anche per elaborarle per renderle più
facilmente confrontabili con altre leggi o per rendere
possibile la deduzione di nuove leggi. Tuttavia, la Fisica ha
dato molto in cambio alla Matematica: molte branche della
Matematica si sono sviluppate sotto lo stimolo della ricerca
in Fisica. Basti pensare che nel 1990 il più importante
premio scientifico per la ricerca in Matematica, la medaglia Fields, è stato vinto da un fisico teorico.
Reciproco e proficuo è anche lo scambio tra la
Fisica e la Tecnologia. Se da una lato la Fisica ha
bisogno di strumenti di misura e di rivelazione sempre
più sensibili che gli fornisce la produzione tecnologica,
dall’altro ogni singola scoperta scientifica può aprire la
strada per innumerevoli e imprevedibili applicazioni
tecnologiche.
Un
paradigma
di
questa
interconnessione è dato dal computer: la moderna
ricerca in Fisica, che lo impiega diffusamente per
l’acquisizione o l’elaborazione di dati o per la
simulazione di processi, necessita da un lato di
prodotti sempre più raffinati e veloci, ma dall’altro
contribuisce essa stessa allo sviluppo tecnologico del
computer grazie ai risultati degli studi sui semiconduttori, sui cristalli liquidi, sull’optoelettronica e sui
computer quantistici. Un esempio analogo si potrebbe fare parlando degli acceleratori di particelle: la
ricerca in Fisica delle interazioni fondamentali domanda da una lato tecnologia avanzatissima per la
costruzione di acceleratori e rivelatori di particelle sempre più potenti e sensibili, ma offre già
nell’immediato alla medicina un nuovo strumento diagnostico, con la radiazione di sincrotrone, ed un utile
strumento terapeutico, con i fasci di protoni usati per la cura dei tumori. Fanno invece parte della nostra
vita quotidiana già da tempo molti strumenti ottenuti come applicazione dei risultati (e talvolta anche come
sottoprodotti) della ricerca in Fisica: il tubo a raggi catodici dei comuni televisori, la radiografia (che deriva
dagli studi sulla radioattività), la Tomografia Assiale Computerizzata (utilizzata originariamente per la
rivelazione di particelle subnucleari), le tecniche di
Risonanza Magnetica Nucleare, le tecniche terapeutiche
basate sul laser (che nacque da un’idea di Einstein), le
fibre ottiche, gli schermi a plasma e molti altri. Infine, lo
strumento tecnologico che tanto sta cambiando il nostro
modo di comunicare, cioè il World Wide Web, è nato
presso il più grande laboratorio di ricerca europeo, il
Centro Europeo di Ricerche Nucleari o CERN di Ginevra,
come strumento per rendere immediato lo scambio di
informazioni tra i gruppi di ricerca in Fisica delle alte
energie sparsi per il mondo. E’ stato proprio al CERN che
sono stati creati il primo browser ed il primo server
WWW e con essi il software che rende possibile la
comunicazione, cioè URL, HTTP e HTML.
Il Dipartimento di Fisica
Finalità
Il Dipartimento di Fisica è la struttura che organizza e
coordina le attività didattiche e di ricerca nell’ambito
delle Scienze e delle Tecnologie Fisiche. Esso coordina,
in sintonia con i Consigli di Facoltà e con i Consigli di
Corso di Laurea, le attività didattiche sia della Facoltà di
Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali, sia di altre
Facoltà, come quella di Ingegneria e Farmacia in cui
siano richiesti insegnamenti nei settori della Fisica.
Al Dipartimento di Fisica dell’Università della Calabria
afferiscono attualmente 42 docenti di ruolo nei vari
settori della Fisica, i quali erogano i corsi di
insegnamento di cui sopra. Al Dipartimento afferiscono
anche numerosi borsisti, assegnisti e dottorandi, che
oltre a partecipare all’attività di ricerca possono scegliere
di collaborare alla didattica con attività di tutoraggio.
Nell’ambito della Facoltà di Scienze, i corsi di laurea
con la maggior presenza di discipline fisiche, e che per
questo hanno un rapporto privilegiato con il
Dipartimento di Fisica, sono il corso di laurea in Fisica e
il corso di laurea in Scienza dei Materiali. Tali corsi sono
caratterizzati, fra l’altro, da un eccellente rapporto tra il
numero di docenti e il numero di studenti. Questo
permette agli studenti un contatto quotidiano con i
docenti, che va al di là delle ore di lezione, e che
permette di trasmettere in modo ottimale le conoscenze
di base, in modo simile a quello dei più rinomati
“college” italiani e stranieri.
Il Dipartimento di Fisica promuove e coordina le
attività di ricerca del personale docente, nel rispetto
dell’autonomia di ciascun professore e ricercatore e del loro diritto di accedere direttamente ai finanziamenti
per la ricerca provenienti da enti pubblici e privati. Sono attivi presso il Dipartimento di Fisica gruppi di
ricerca, comprendenti sia fisici teorici che sperimentali, attivi nelle aree di Astrofisica, Biofisica, Fisica
Nucleare e Subnucleare, Fisica Sanitaria (Biomedica e Ambientale), Fisica degli Stati Condensati. La
maggioranza delle attività di ricerca sono svolte nell’ambito di collaborazioni nazionali e internazionali. Il
Dipartimento di Fisica (sito Internet www.fis.unical.it) ospita al suo interno un Gruppo Collegato dell’Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare (INFN; sito Internet www.infn.it) e una Unità dell’Istituto Nazionale per la Fisica
della Materia (INFM; sito Internet www.infm.it). Il Dipartimento inoltre collabora con il Consiglio Nazionale
delle Ricerche (CNR; sito Internet www.cnr.it), con l’Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente
(ENEA; sito Internet www.enea.it) e con l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI).
Logistica
Il Dipartimento di Fisica si trova nel campus
dell’Università della Calabria, presso Arcavacata di
Rende. Tale campus è organizzato in modo da avere a
poca distanza fra di loro sia le aule, i laboratori e le
biblioteche, sia il centro residenziale con alloggi e mense,
sia le strutture ricreative quali il centro sportivo (CUS) e i
centri per le arti.
Le strutture didattiche, di ricerca, e amministrative del
Dipartimento di Fisica si trovano nei cubi 30C, 30D, 31C,
31D, 33B e 33C del Ponte Pietro Bucci. Tali strutture
sono facilmente accessibili dal Ponte trovandosi a 800 m
circa dalle pensiline della fermata principale degli
autobus e a pochi passi dalla fermata degli autobus
presso Piazza Bianchi. Lungo il Ponte, oltre agli altri
dipartimenti e alla biblioteca, si trovano servizi quali bar,
libreria, edicola, agenzia di viaggio, banca e ufficio
postale. Il Dipartimento è anche facilmente raggiungibile
dalle Residenze Martensson, provenendo dal centro
abitato di Arcavacata.
Per orientarsi nell’Università, occorre spiegare i criteri
di numerazione dei vari edifici; il Ponte rappresenta un
asse, e i Cubi sono numerati a partire dall’inizio del
Ponte; inoltre, i Cubi sono etichettati come A, B, C, D,
nell’ordine, lungo la direzione perpendicolare al Ponte,
con i Cubi A e B a destra del Ponte, e quelli C e D a
sinistra, per chi venga dalla fermata principale degli
autobus. Poiché la quota del Ponte rispetto al livello del
mare è costante, mentre il livello del suolo varia, non tutti
i Cubi hanno lo stesso numero di piani. Pertanto, per
specificare il livello di un’aula o di un laboratorio si
utilizza spessa la quota in metri sul livello del mare. Il
ponte carrabile corrisponde alla quota di 227 m. La
segreteria e la direzione del Dipartimento si trovano alla
quota 227 (VI piano) del Cubo 31C.
Il Dipartimento di Fisica mette a disposizione delle
attività didattiche diverse strutture. Numerose aule per le
lezioni si trovano ai piani più bassi, in particolare alla
quota 209 (I piano) del Cubo 31C, e alle quote 209 (I
piano) e 214 (II piano) del Cubo 30C. Gli ampi ed
attrezzati laboratori didattici, che vengono utilizzati
intensamente sin dal primo anno dei vari Corsi di Laurea,
si trovano alla quota 214 (II piano) del Cubo 31C e alla
quota 217 (III piano) del Cubo 30C. Questi laboratori
consentono agli studenti di realizzare tutti gli esperimenti
in prima persona, e vantano una serie di strumenti e
attrezzature sia tradizionali che molto moderni. Le aule di
Informatica si trovano alla quota 217 (III piano) del cubo
31C.
I laboratori di ricerca sono dislocati nei vari cubi.
Questi laboratori possiedono strumentazioni molto
avanzate, alcune delle quali sono uniche in Italia. La
descrizione delle attività di ricerca è data nella parte
finale di questa pubblicazione.
Altri servizi ed attività
Fra le sue strutture, il Dipartimento di Fisica ha un’Officina Meccanica ben attrezzata e dotata di
personale altamente qualificato. Questo laboratorio svolge il lavoro di supporto per i gruppi di ricerca e per le
attività didattiche. L’aula seminari del Dipartimento, situata alla quota 221 (IV piano) del cubo 31C è
attrezzata con i più moderni sistemi multimediali e permette di realizzare videoconferenze.
Il Dipartimento di Fisica dispone di un proprio centro di calcolo e di una rete telematica, moderna ed
efficiente, che collega tutti gli uffici, le aule e i laboratori fra di loro. Tale centro di calcolo fa parte della rete
GARR del Ministero dell’Università e della Ricerca Scientifica e Tecnologica (MURST). Sono in corso di
allestimento diverse aule di Informatica, fornite di numerosi Personal Computer collegati ad Internet tramite
la rete GARR. Le attività del Dipartimento di Fisica sono illustrate sul sito Internet www.fis.unical.it.
Tutti i gruppi di ricerca sono dotati di computer e
workstation ad alte prestazioni che permettono agli
studenti in tesi di fare una solida esperienza sulle più
avanzate tecniche di calcolo e di gestione dei dati in
vari ambienti (Linux, UNIX, Windows). I gruppi di
Astrofisica e di Fisica Teorica delle Particelle
Elementari dispongono di un potente calcolatore
parallelo con 16 processori, tra i più veloci disponibili al
momento sul mercato.
Il Dipartimento di Fisica contribuisce alla Biblioteca
centrale di Area Tecnico-Scientifica (BATS), con oltre
13.000 volumi, tra libri e raccolte di riviste, su
argomenti di Fisica o affini. La biblioteca è abbonata
ogni anno a numerose riviste di Fisica, che vanno da
quelle specialistiche a quelle divulgative. Tenendo
conto dei contributi degli altri dipartimenti, la BATS
metterà a disposizione degli utenti 95.000 volumi e
oltre 1200 riviste.
L’attività didattica si esplica anche sotto forma di
seminari e corsi tenuti presso le scuole, sotto forma di
promozione dell’insegnamento della Fisica e di
aggiornamento.
Il Dipartimento di Fisica è sede, per la provincia di
Cosenza, della Associazione per l’Insegnamento della
Fisica (AIF).
Il Dipartimento, inoltre, promuove la diffusione della
cultura
scientifica
nel
territorio,
mediante
l’organizzazione di mostre rivolte al pubblico.
Infine, il Dipartimento ospita nei suoi locali il Gruppo
Astrofili Menkalinan, animato da studenti e docenti del
Dipartimento, che organizza serate osservative e
attività seminariali aperte a tutti. Tali attività sono
descritte
nel
sito
www.geocities.com/Area51/Dimension/5189/gam.htm.
I corsi di laurea e di dottorato
Non è difficile trovare fisici che operano in diversi
settori lavorativi e che spesso svolgono attività ben
lontane della Fisica. Queste situazioni trovano
spiegazione in due precise realtà: da un lato, la
situazione attuale del mondo del lavoro richiede
notevole creatività, duttilità e capacità, dall’altro la
peculiare formazione del fisico è per sua natura
ampia, flessibile e creativa. Da sempre, infatti, la
Fisica ha dovuto confrontarsi con la più affascinante
delle domande dell'uomo: come funziona il mondo in cui
viviamo?
Studiare Fisica significa innanzi tutto cercare di dare
una risposta a questo interrogativo mediante la partecipazione attiva alla ricerca scientifica. Il fisico deve
imparare ad osservare ed analizzare i fenomeni naturali, dedurre le leggi che li governano e
formulare teorie e modelli che poi necessitano di verifica mediante la ripetizione del fenomeno o, quando
questo non è possibile, come nel caso di alcuni fenomeni astronomici, la predizione delle manifestazioni che
dal fenomeno discendono. Questi sono i presupposti del metodo sperimentale che è nato con la Fisica e che
ogni fisico deve acquisire nel corso del proprio periodo formativo.
La Fisica si occupa dello studio delle origini dell'Universo, del micro e del macrocosmo, ma la Fisica
è anche lo studio dei nuovi materiali, il loro impiego tecnologico e lo sviluppo di strumenti per la medicina,
la biologia, la geologia, l'ambiente e l'energetica, la meteorologia, la telematica e l'informatica. La Fisica è
anche lo studio del caos e della sinergetica, ossia delle leggi che governano i sistemi complessi, siano
essi fisici, biologici o socioeconomici.
In accordo con queste nuove esigenze e per rendere i laureati italiani più competitivi sul mercato
europeo, il tradizionale corso di laurea in Fisica della durata legale di quattro anni, ma che mediamente
richiedeva cinque o sei anni per essere completato, è stato sostituito da tre periodi di studi con contenuti e
finalità diversi: un corso di laurea della durata di tre anni a cui seguono altri due anni per il conseguimento
della laurea specialistica, conseguita la quale si può accedere al dottorato di ricerca.
Le finalità del corso di laurea sono quelle di fornire un’adeguata conoscenza di base dei diversi settori
della Fisica classica e moderna e le necessarie competenze matematiche ed informatiche. In particolare, il
laureato dovrà essere in grado di continuare a svolgere le attività svolte dagli attuali laureati in Fisica, ma la
sua formazione, prevedendo un periodo più breve, dovrà necessariamente essere più snella ed efficace.
Inoltre, lo studente ha maggiori possibilità di quante ne avesse con il vecchio ordinamento didattico di
adattare il proprio programma formativo per le finalità che ritiene più opportune. Può, ad esempio, sostituire
alcuni insegnamenti con altri oppure con attività formative diverse (si vedano le tabelle riportate in
appendice).
Al termine del corso triennale è previsto un breve
stage presso laboratori di ricerca o industrie del quale lo
studente deve relazionare mediante la produzione di un
elaborato. Quindi lo studente consegue un titolo di studio
che gli consente o di svolgere attività in diversi ambiti
professionali, di accedere ad un corso di laurea
specialistico o ad una scuola di specializzazione per
l’insegnamento. All’Università della Calabria saranno
attivi, già dall’anno accademico 2001/02 due corsi di
laurea: il corso di laurea in Fisica ed un corso di
laurea in Scienza dei Materiali.
Per l’iscrizione al corso di laurea è sufficiente un
qualunque diploma di scuola superiore, sia classico o
scientifico, tecnico o professionale. Entrambi i corsi di
laurea sono a numero chiuso, occorre quindi
concorrere all’ammissione presentando o inviando la
domanda alla sede centrale dell’Università della Calabria, area didattica, settore ammissione studenti.
Alla data di stampa di questo opuscolo, il bando per il nuovo anno accademico non è ancora stato
pubblicato. Comunque negli ultimi anni il numero di posti messi a concorso è stato sempre ampiamente
sufficiente ad accogliere tutti gli studenti che abbiano concorso. Maggiori informazioni potranno essere
reperite in Internet al sito www.unical.it.
I corsi di laurea specialistici dalla durata di due anni hanno lo scopo di completare la formazione del
laureato e sono finalizzati al suo inserimento nella ricerca scientifica presso Università ed enti di ricerca
pubblici e privati o nell’industria, dove il laureato con laurea specialistica dovrà ricoprire ruoli di responsabilità
di progetti e strutture. Per l’ammissione alle scuole di specializzazione per l’insegnamento nella scuola
secondaria è previsto invece un corso di laurea specialistica della durata di un anno. Con gli studi
specialistici lo studente dovrà perfezionare le proprie conoscenze di Fisica classica e moderna, di
Matematica, d’Informatica, imparare ad esprimersi correntemente in una delle lingue dell’Unione Europea e
sviluppare capacità progettuali e di ricerca autonoma. Per questi scopi i curricula prevedono attività esterne
come tirocini formativi presso aziende, strutture della pubblica amministrazione e laboratori, oltre a soggiorni
di studio presso Università italiane ed europee, anche nel quadro di accordi internazionali quali le attività
inserite nel programma Socrates dell’Unione Europea (europea.eu.int/comm/education/socrates.html).
Il dottorato di ricerca è stato introdotto in Italia nel 1980 (legge 382/1980) ed è finalizzato
all’acquisizione delle competenze necessarie per esercitare attività di ricerca di alta qualificazione. Con il
dottorato di ricerca, il laureato con laurea specialistica raggiunge il livello di formazione più elevato. Il
dottorato di ricerca ha una durata di tre anni, durante i quali lo studente completa la propria formazione
seguendo corsi e, inserendosi attivamente in un gruppo di ricerca, sviluppa capacità di ricerca autonome. Il
Dipartimento di Fisica organizza e sostiene due corsi di dottorato di ricerca: il dottorato di ricerca in Fisica ed
il dottorato di ricerca in Scienze e Tecnologie delle Mesofasi e dei Materiali Molecolari, il secondo dei quali in
comune con il Dipartimento di Chimica. Annualmente grazie al sostegno di enti di ricerca esterni (MURST,
INFN e Regione Calabria) circa dodici laureati accedono ai due corsi di dottorato ed operano nei settori
dell’Astrofisica, della Biofisica molecolare, della Fisica Sanitaria, della Fisica Nucleare e Subnucleare, della
Fisica degli Stati Condensati. Il diagramma seguente illustra i diversi percorsi formativi ed i rispettivi obiettivi
occupazionali.
Dopo la laurea
Per il laureato in Fisica sono tante le possibilità di
continuare ad operare nel mondo della ricerca sia in
Italia che all’estero, per mezzo delle borse di dottorato di
ricerca e di post-dottorato, degli assegni di ricerca, dei
contratti di ricerca a termine dell'Istituto Nazionale per la
Fisica della Materia (INFM), dell'Istituto Nazionale di
Fisica Nucleare (INFN) e del Consiglio Nazionale delle
Ricerche (CNR) o delle borse di studio offerte
dall’Unione Europea nell’ambito dei programmi di
scambio e di cooperazione scientifica e tecnologica e di
altre possibilità ancora.
Complessivamente le prospettive d’impiego per i
laureati in Fisica sono decisamente buone: come risulta
da un'indagine che si riferisce al quadriennio 1993/96
(una sintesi dei dati raccolti sono accessibili nel sito web
www.fisica.unile.it/~anni) il 91% di loro trova un impiego
stabile entro tre anni dalla laurea, molti già entro un anno. L’industria è la principale sorgente d’occupazione
per i fisici, infatti in essa trova occupazione il 35% di loro, il 18% svolge attività di ricerca in enti pubblici, il
11% insegna a scuola ed il 5% ha impiego in un ente locale. Dei fisici inseriti nell’industria, il 47% opera
nell’elettronica, il 35% nei servizi informatici, il 15% nell’industria meccanica e chimica. Per facilitare
l’impiego dei propri laureati, l’Università della Calabria ha predisposto l’Ufficio Orientamento Laureati e la
banca dati Laudeca alla quale le società interessate possono accedere previa autorizzazione. Informazioni
a riguardo possono essere trovate presso il Centro o al sito Internet dell’Università.
Di recente grazie ad una legge dello Stato, la n. 144 del 17 maggio 1999 ed il D.L. n. 185 del 21 Aprile
2000, si è aperta ai giovani laureati dotati di spirito d'iniziativa una nuova possibilità di impiego:
l’autoccupazione. Il significato di questo termine può essere sintetizzato in una frase: divenire
imprenditori di sé stessi. Affinché la Scienza abbia impatto sull’economia e l’occupazione è necessario un
programma di trasferimento tecnologico; per questo motivo sono in atto delle politiche che hanno come
obiettivo l’incentivazione e l’avviamento di nuove
imprese ad alto contenuto tecnologico, dette Spin-off,
generate dall’ambiente universitario e della ricerca
scientifica. Gli Spin-off che, sorti in ambito INFM,
operano nel Dipartimento di Fisica sono allo stato
attuale quattro; essi usufruiscono di diverse
agevolazioni quali l’uso gratuito del know-how e dei
brevetti, l’utilizzo gratuito delle strutture e della
strumentazione del Dipartimento e dell’INFM. Queste
società si occupano delle applicazioni dei Cristalli
Liquidi alla tecnologia dei display e dell'elettro-ottica
(CaLCTec e LICRIL), dell'ideazione e della produzione
di kit didattici per i laboratori delle scuole e delle
Università (DeltaE) e della gestione di azioni innovative
ambientali e della formazione (G.A.I.A.).
Astrofisica
L’Astrofisica può essere descritta come la
fusione dell’Astronomia e della Fisica, nel
senso che si applicano le leggi fisiche, dedotte
con esperimenti fatti anche in laboratorio, ai
fenomeni astronomici osservati. I campi di
studio dell’Astrofisica vanno dal sistema solare
alle galassie, e dalle stelle alla cosmologia. I
gruppi di ricerca in Astrofisica all’Università
della Calabria si occupano di varie tematiche,
tra cui le seguenti.
Astrofisica stellare.
Si studiano le stelle variabili, allo scopo di
determinare i raggi delle stelle di tipo RR Lyrae
e delle Cefeidi; a tale scopo si è sviluppato un
metodo che utilizza osservazioni in tre colori e
misure di velocità radiale. Il gruppo ha
partecipato al progetto VIRGO, per la
rilevazione di onde gravitazionali, con uno
strumento in corso di realizzazione nei pressi di
Pisa. Inoltre il gruppo partecipa alla
realizzazione del progetto Arthemis per la
gestione dell’archivio scientifico dei dati del
telescopio solare Themis, e ai progetti
Mumenet e Astronet per la trasmissione e
l’archiviazione di dati astronomici utilizzando le
tecniche informatiche più recenti. Al momento,
oltre alle ricerche nel campo delle stelle
Cefeidi, si sta lavorando nel campo della
tecnologia dell’analisi dati, sia per il
miglioramento delle metodologie di analisi e
quindi degli algoritmi, sia del miglioramento
degli strumenti di analisi, come il progetto
Beowulf per l’utilizzo di supercluster di
microcomputer.
Astrofisica e plasma.
La maggior parte della materia
interplanetaria e dell’atmosfera solare
è costituita da plasma, cioè da un gas
completamente ionizzato composto
prevalentemente da protoni e da
elettroni (non legati fra di loro). Per
questo motivo molti dei dati forniti
dalle missioni spaziali o provenienti
dagli osservatori solari possono
essere interpretati solo nell’ambito
della Fisica del plasma. Questi dati
hanno permesso di utilizzare lo spazio
interplanetario come un immenso
laboratorio in cui studiare l’interazione
tra la Terra e il flusso di energia,
plasma e particelle energetiche che provengono dal Sole. Infatti, l’intensa attività solare, che va dalla
creazione delle macchie solari all’accelerazione di particelle e alla formazione del vento solare, influenza
direttamente l’ambiente terrestre e le strutture ad alta tecnologia sviluppate dall’uomo. Ad esempio, le
particelle accelerate dal Sole possono danneggiare i satelliti per le telecomunicazioni, mentre le tempeste
magnetiche sono pericolose per la rete di distribuzione dell’energia elettrica. E’ quindi necessario prevedere
l’insorgenza di questi fenomeni. Questi ed altri problemi vengono studiati, in collaborazione con gruppi
localizzati in Università italiane (Firenze, Roma) e in centri di ricerca italiani (IFSI - CNR di Frascati, IGI CNR di Padova) ed esteri (Observatoire de Paris-Meudon, Space Research Institute, Mosca, Crimean
Astrophysical Observatory, Ucraina), utilizzando i dati forniti dai satelliti, mediante simulazioni al computer
(tra i quali un calcolatore parallelo a 16 processori), e tramite riproduzione di alcuni processi tipici dei plasmi
in laboratorio.
Contatti
Prof. Pierluigi Veltri, [email protected]
Prof. Vincenzo Carbone, [email protected]
Dott. Francesco Malara, [email protected]
Dott. Gaetano Zimbardo, [email protected]
Biofisica Molecolare
Introduzione
La Biofisica è l’applicazione delle leggi e delle metodologie fisiche ai sistemi biologici. Si tratta di un
campo di ricerca in forte espansione, a causa del crescente interesse nei meccanismi fisici di funzionamento
delle molecole biologiche. Le applicazioni possibili sono molteplici, per esempio nel campo delle
nanotecnologie e in quello medico-farmaceutico.
Nel Laboratorio di Biofisica Molecolare dell’Università della Calabria si studiano le proprietà fisiche di
Biomembrane, di metallo-Proteine, e l’interazione Membrane-Proteine.
Biomembrane
Oggetto di studio non sono solo le membrane naturali, ma anche
strutture supramolecolari modello di membrane: liposomi multilamellari
e vescicole unilamellari, derivanti dall'auto-aggregazione in soluzione
acquosa di molecole lipidiche in doppi strati richiusi su se stessi a
formare strutture sferiche concentriche (vedi figura).
L’indagine è condotta su biomembrane modello soggette all’azione di
agenti esterni chimici e fisici quali: pH, temperatura, tipo di solvente,
inquinanti ambientali (Cd, Hg), ioni, molecole biologicamente attive,
anestetici, peptidi beta-amiloidi implicati nel morbo di Alzheimer.
Questa ricerca ha come obbiettivo lo sviluppo di modelli e leggi capaci
di interpretare i comportamenti di tali sistemi complessi, in relazione al
loro ruolo biologico.
Accanto allo studio di sistemi modello di membrana, l’attività di
ricerca è orientata verso lo sviluppo di liposomi stabilizzati
stericamente ottenuti per autoaggregazione di lipidi/polimero-lipidi. Tali
sistemi liposomiali sono particolarmente stabili ed utilizzati con
efficacia per incapsulare, veicolare e rilasciare in maniera controllata
farmaci antitumorali in vivo (Es. Doxorubicina, Tassolo). Gli stessi
liposomi possono essere utilizzati nel campo delle biotecnologie e della
biomedicina.
Proteine
Lo studio delle proteine si concentra su una famiglia di metalloproteine contenente uno ione Cu, le cupredoxine. Queste proteine
svolgono in natura una funzione di trasferimento elettronico, e
possono essere utilizzate per applicazioni di nanotecnologia in
dispositivi bioelettronici. Inoltre, per le loro caratteristiche strutturali,
costituiscono dei sistemi modello per la comprensione di proprietà
generali delle proteine.
Lo studio termodinamico della denaturazione delle cupredoxine,
nella forma nativa e in alcune forme mutate, permette di evidenziare
l’importanza di alcuni elementi strutturali presenti in queste
macromolecole funzionali. Inoltre, è possibile chiarire i meccanismi
alla base del folding delle proteine, che è fondamentale per la loro
funzionalità biologica.
A causa della loro complessità, le proteine possiedono un certo
grado di disordine strutturale. L’eterogeneità strutturale delle
proteine è fondamentale nei processi di congelamento, e dipende
anche dalle proprietà chimico-fisiche del solvente. L’attività di ricerca
riguarda lo studio dei sottostati conformazionali delle cupredoxine, in
particolare degli effetti di ioni caotropici (Es. Azide, Tiocianato) in
soluzioni acquose e in presenza di glicerolo, agente crioprotettivo.
Le tecniche d’indagine
La ricerca è condotta con l’ausilio di diverse tecniche idonee ad indagare il comportamento dei biosistemi
a livello microscopico:
1. la Risonanza magnetica di Spin Elettronico
(ESR) in onda continua e pulsata, atta a
rivelare l'assorbimento di radiazione a
microonde da parte di un sistema di spin in un
campo magnetico statico. Tramite questa
tecnica
spettroscopica
si
ottengono
informazioni sull'organizzazione strutturale e
sulla dinamica molecolare dei biosistemi che
hanno spin elettronico diverso da zero. Una
tecnica di marcaggio di spin (spin labeling) è
utilizzata nel caso in cui il sistema non possiede
uno spin intrinseco.
2. le spettroscopie ottiche (fluorescenza ed
assorbimento ottico), utilizzanti radiazione nel
visibile
e
nell'ultravioletto,
forniscono
informazioni
sulle
proprietà
fisiche
(aggregazione, fusione, transizioni di fase) e
molecolari di macromolecole proteiche in
soluzione.
3. la MicroCalorimetria Differenziale (mDSC)
permette di misurare il calore assorbito a
pressione costante da un biosistema al variare
della temperatura. Dall’analisi dei termogrammi
si determinano le grandezze termodinamiche
caratteristiche del sistema esaminato. Tali
grandezze sono correlabili con processi fisici
legati a transizioni di fase di membrane,
variazioni conformazionali e strutturali di
macromolecole proteiche o dell’interazione
proteina-biomembrana.
4. la dinamica molecolare simulata riguarda lo
studio al calcolatore delle proprietà fisiche di
biomolecole. Le simulazioni permettono di
studiare nel dettaglio atomico e per ogni singolo
atomo le macromolecole complesse. In questo
modo, è possibile analizzare le modifiche
strutturali e le caratteristiche dinamiche
(fluttuazioni atomiche, moti cooperativi) di una
proteina in presenza di solvente. In tal modo, si
può ottenere una migliore comprensione della
sua
modalità
di
funzionamento.
La
modellizzazione molecolare è alla base di
molteplici applicazioni nelle nanotecnologie
(biosensori) e in biomedicina (drug design).
Collaborazioni
Il Laboratorio di Biofisica Molecolare ha in atto collaborazioni con ricercatori del Max Planck Institute for
Biophysical Chemistry, Gottingen – Germania; Gorleaus Laboratory, University of Leiden – Olanda;
Department of Medicinal Chemistry, University of Washington, Seattle – U.S.A.; Institute of Chemical
Kinetics and Combustion, Novosibirsk State University – Russia; Dipartimento di Scienze Chimiche,
Università di Catania – Italia.
Contatti e Informazioni
Prof. Luigi Sportelli, [email protected]
Dott.ssa Rosa Bartucci, [email protected]
Dott.ssa Rita Guzzi, [email protected]
Ulteriori informazioni sul gruppo e le sue attività sono presenti nel sito www.fis.unical.it/biophysics
Fisica Nucleare e Subnucleare
1- Fisica nucleare
Lo studio, a partire dagli anni ’30 fino a oggi, dei nuclei atomici ha portato a chiarire molte proprietà dei
nuclei presenti lungo tutta la Tavola periodica. Quello che manca ancora nella teoria nucleare è il
riconoscimento universale da parte della comunità scientifica del ruolo formidabile che i due campi coerenti
presenti dentro e attorno al Nucleo, il campo coerente pionico e il campo coerente elettromagnetico,
svolgono per comprendere dai fondamenti molti processi nucleari, a partire dai grandi successi che il
modello a gusci ha raccolto nello studio della struttura nucleare. La Teoria del Nucleo Coerente di Giuliano
Preparata consentirà di chiarire dai fondamenti diversi processi di Fisica nucleare che le teorie nucleari oggi
riconosciute non riescono a spiegare.
Il principale obiettivo della ricerca svolta dal Gruppo di Fisica Nucleare del Dipartimento di Fisica è lo
sviluppo e la verifica, attraverso lo studio di alcuni processi critici di Fisica nucleare, della Teoria del Nucleo
Coerente di Giuliano Preparata. I nuclidi, a partire dall'Idrogeno e dei suoi isotopi fino all'Uranio e agli
elementi artificiali transuranici, sono ben conosciuti sperimentalmente. I modelli generalmente accettati che
spiegano il confinamento dei nucleoni (protoni e neutroni) nel nucleo non spiegano però un curioso
paradosso: anche i nuclei, come gli atomi, hanno una struttura a shell, nonostante l’assenza di un potenziale
centrale di lunga portata (come il potenziale Coulombiano per gli atomi). La teoria del Nucleo Coerente
supera questa difficoltà dimostrando, per mezzo di un rigoroso approccio di Teoria di Campo, la possibilità di
un accoppiamento risonante tra i nucleoni e la risonanza barionica Delta con le fluttuazioni quantistiche di
punto zero del campo pionico che, al di sopra di una certa densità critica (la densità tipica della materia
nucleare), genera una transizione di fase verso uno stato a energia più bassa, in cui il campo dei nucleoni
oscilla in fase con il campo coerente pionico. L'abbassamento energetico è quello tipico di una buca di
potenziale della profondità di circa 50 MeV, che è proprio il valore ottimale per la buca del modello a shell. Il
ruolo formidabile di “collante” che svolge il campo coerente pionico presente all’interno del Nucleo può
chiarire molti aspetti ancora irrisolti sulla struttura e sulle dinamiche nucleari. I risultati più rilevanti sono stati
ottenuti nei seguenti ambiti:
Ipernuclei (nuclei in cui un neutrone è sostituito con una particella ): abbiamo previsto la vita media
degli Ipernuclei su quasi tutto l'intervallo del numero di massa. Recenti misure sperimentali hanno
convalidato i nostri calcoli.
Fotoproduzione (la produzione di pioni attraverso l’assorbimento di fotoni nel nucleo): abbiamo
interpretato la fotoproduzione nucleare nella regione delle prime risonanze barioniche.
Ioni pesanti: recentemente il Gruppo di Fisica Nucleare ha indagato la possibilità che attorno al nucleo,
per effetto del suo accoppiamento risonante con le oscillazioni collettive delle particelle cariche presenti
nel nucleo (i protoni), sia presente un debole, ma non trascurabile, campo elettromagnetico coerente. I
risultati di questa analisi sono stati utilizzati con successo per lo studio della produzione esaltata delle
coppie (e+-e-) nelle collisioni nonrelativistiche e ultrarelativistiche degli Ioni pesanti.
Il Gruppo di Fisica nucleare sta ora affrontando lo studio dei nuclei con alone che stanno sulla linea di
sgocciolamento neutronico, e della produzione dileptonica esaltata nelle collisioni relativistiche CarbonioCarbonio e Calcio-Calcio, produzione recentemente rilevata al BEVALAC, negli Stati Uniti.
Persona da contattare
Prof. Renzo Alzetta, [email protected]
2- Fisica delle particelle elementari
La Fisica delle particelle elementari studia le componenti
fondamentali della materia e le loro interazioni. L’idea che la materia
sia un aggregato di atomi fu accettata a partire dal 1900. Alla
comprensione pressoché definitiva dell’atomo si giunse alla fine degli
anni ’30, dopo lo sviluppo della Meccanica Quantistica. L’atomo è
composto da un nucleo di protoni, dotati di carica elettrica positiva, e di
neutroni, privi di carica. Il nucleo è circondato da una “nuvola” di
elettroni; questi ultimi, dotati di carica elettrica negativa, sono tenuti in
prossimità del nucleo a causa della carica elettrica positiva di questo, per effetto delle interazione
Coulombiana. Tuttavia, il fatto che i protoni ed i neutroni del nucleo atomico formino un sistema stabile a
dispetto della repulsione elettrostatica fra i protoni e l’osservazione dei decadimenti radioattivi dei nuclei, che
producono raggi α, β e γ, indicano l’esistenza di altre particelle e di altri tipi di interazione. Alla stessa
evidenza si giunge dallo studio dei raggi cosmici e da quello delle collisioni ad alta energia negli esperimenti
con gli acceleratori che hanno consentito di identificare altre particelle. Complessivamente ne sono note oggi
ben oltre 100.
Gli elettroni fanno parte di una famiglia di particelle relativamente leggere chiamate leptoni, che finora
non hanno mostrato di possedere una sottostruttura e sono quindi particelle elementari nel senso stretto del
termine. I protoni e i neutroni fanno parte di una numerosa famiglia di particelle più pesanti, gli adroni. Gli
esperimenti di collisione con gli acceleratori hanno mostrato che gli adroni sono dotati di struttura interna,
essendo formati da combinazioni di particelle più piccole, i quark. Allo stesso modo da combinazioni di quark
è formata la maggior parte delle particelle “elementari” scoperte. Le interazioni di tutte le particelle
conosciute possono essere ricondotte a quattro tipi di interazione fondamentale: elettromagnetica, debole,
forte e gravitazionale (quest’ultima è notevolmente meno intensa delle altre e svolge un ruolo inessenziale
nello studio dei processi di collisione alle alte energie).
La trattazione unificata delle interazioni elettromagnetica, debole e forte si chiama Modello standard delle
interazioni fondamentali. Esso include:
tre generazioni di leptoni: l’elettrone (e-) ed il neutrino elettronico νe, il muone (μ-) ed il neutrino
muonico νμ, la particella τ- ed il neutrino tauonico ντ; di ciascuno di questi leptoni esiste la rispettiva
antiparticella;
tre generazioni di quark: up (u) e down (d), charm (c) e strange (s), top (t) e bottom (b); di ciascun
tipo (“sapore”) di quark esistono tre stati diversi, identificati convenzionalmente con un “colore”;
anche di ciascuno dei quark esiste la rispettiva antiparticella;
le particelle “mediatrici” delle interazioni fondamentali: il fotone (γ) per l’interazione elettromagnetica,
i bosoni vettoriali W ± e Z° per l’interazione debole ed i gluoni per l’interazione forte;
il bosone di Higgs, la particella responsabile del meccanismo per il quale i bosoni vettoriali W ± e Z°, i
quark ed i leptoni carichi sono dotati di massa.
I leptoni e-, μ- e τ- hanno (uguale) carica elettrica negativa e sono
soggetti sia alle interazioni elettromagnetiche che a quelle deboli, mentre i
neutrini sono elettricamente neutri ed interagiscono solo secondo
l’interazione debole. I quark partecipano a tutte e tre le interazioni. Essi
hanno carica elettrica frazionaria (-1/3 di quella del protone, i quark d, s, b;
+2/3 i quark u, c, t) e non sono mai stati osservati in stati isolati, ma sono
“confinati” in stati legati di un quark-antiquark o in stati di tre quark. Il
protone, ad esempio, è formato da tre quark nella combinazione uud, il
neutrone nella combinazione di udd.
Il Modello standard ha consentito di interpretare con sorprendente
accuratezza i risultati dei processi di collisione tra particelle elementari e
risponde a molte domande sulla struttura e sulla stabilità della materia.
Tuttavia, uno dei suo attori principali, il bosone di Higgs, non è ancora
stato rivelato in alcun esperimento di collisione. L’osservazione di questa
particella negli esperimenti di collisione presenti e futuri è uno dei principali
obiettivi della ricerca in Fisica delle particelle elementari.
Fisica Sperimentale delle particelle elementari
I dati di Fisica che convalideranno una teoria o che apriranno nuovi campi di ricerca sono ottenuti, dai
fisici sperimentali, dallo studio di ciò che avviene durante e dopo le collisioni fra particelle.
I prodotti della collisione, radiazione e particelle dello stesso tipo o diverse da quelle incidenti, vengono
rivelati da opportuni apparati sperimentali, che provvederanno ad inviare le informazioni raccolte, sotto forma
di segnale elettrico, a computer dove saranno elaborate per la ricostruzione complessiva dell’evento.
Successivamente, dall’analisi dei dati così raccolti, sarà possibile estrarre le informazioni per gli studi di
Fisica a cui l'apparato è dedicato ed in funzione dei quali è stato progettato. Si tratta quindi di una ricerca di
base volta ad ampliare le conoscenze umane.
La grande quantità di dati da trattare, la loro elaborazione e
raccolta richiedono lo sviluppo di tecnologie sempre più avanzate con
successive ricadute nei campi più disparati: dall’elettronica alle
tecniche di alto vuoto, dalla diagnostica e terapia medica,
all’informatica.
Così WEB, oggi di uso comune nel mondo occidentale, è stato
creato al CERN, il più grande laboratorio mondiale oggi esistente per
la Fisica delle particelle elementari.
Nel dipartimento di Fisica dell’Università della Calabria i ricercatori
di Fisica delle particelle elementari afferiscono all’INFN (Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare) e sono coinvolti negli esperimenti
ZEUS ai laboratori DESY di Amburgo ed ATLAS al CERN di Ginevra.
Si tratta in entrambi i casi di collaborazioni mondiali.
Gli studenti che si specializzano in questo settore, quindi, oltre ad
acquisire conoscenze che si sono dimostrate altamente spendibili nel
mondo della ricerca ed in quello dell’industria e dei servizi, hanno la
possibilità di svolgere il loro lavoro in un ambiente estremamente
stimolante e di avanguardia.
Esperimento ATLAS
Al CERN (www.cern.ch), il nuovo acceleratore LHC
(Large Hadron Collider) entrerà in funzione nel 2005.
LHC è un anello di 4.3 Km di raggio, dove saranno
accelerati e fatti collidere frontalmente, in quattro zone
di interazione, fasci di protoni con energia di 14 TeV,
ossia un energia circa un milione di volte quella che
lega fra loro i protoni nel nucleo.
I prodotti dell’interazione saranno raccolti da 4
apparati sperimentali: ATLAS, CMS, ALICE, LHCB,
ognuno dei quali dedicato ad uno specifico programma
di ricerca ed attualmente in avanzata fase di
costruzione.
Per quanto riguarda ATLAS sono tra principali obiettivi di ricerca:
la conferma del Modello standard tramite la rivelazione del bosone di Higgs
la ricerca di segnali di “nuova Fisica”
lo studio della fisica del quark top
la violazione di CP
rivelazione di W e Z “pesanti”
ATLAS è costituito da più rivelatori le cui specifiche caratteristiche sono state scelte in fase di
progettazione come le più indicate per la rivelazione dei processi di Fisica che si intendono studiare.
Ogni rivelatore è dedicato alla misura di una grandezza fisica (energia dei prodotti della reazione,
traiettoria, tipo di particelle, …).
Il rivelatore muonico, elemento essenziale per la ricostruzione della
massa del bosone di Higgs è in parte costruito presso il Laboratorio di
Fisica delle particelle dell’UNICAL.
I ricercatori di Cosenza sono anche impegnati nella realizzazione del
software dell’esperimento con lo sviluppo di codici di simulazione e
ricostruzione e partecipano, ai Laboratori del CERN, alla analisi e presa
dati su prototipi .
Contatti
Prof. Giancarlo Susinno, [email protected]
Prof. Giovanni Crosetti, [email protected]
Prof.ssa Laura La Rotonda, [email protected]
Prof. Marco Schioppa, [email protected]
Esperimento ZEUS
L'esperimento ZEUS è installato sul collisionatore elettroneprotone HERA, in funzione dall’estate 1992 presso il laboratorio
DESY di Amburgo ed è il risultato di una collaborazione
internazionale di 19 paesi tra cui le Università italiane di Cosenza,
Bologna, Firenze, Padova, Roma e Torino. HERA accelera fasci di
elettroni e protoni rispettivamente a 30 e 820 GeV.
Poiché il fascio di elettroni è anche sorgente di fotoni quasi reali,
HERA può essere considerato anche un collisionatore fotoneprotone.
ZEUS è un esperimento che usa una “sonda” costituita da un
fascio di leptoni (elettroni) per indagare la struttura interna del
protone. Le energie utilizzate dall’esperimento estendono di circa
due ordini di grandezza la regione cinematica esplorata da precedenti esperimenti.
ZEUS permette inoltre di studiare l’interazione elettrone-protone in regime di "fotoproduzione" che
avviene con lo scambio di un fotone quasi reale ad energie di un ordine di grandezza superiore a quello a
cui hanno operato i precedenti esperimenti.
Tra gli esperimenti di Fisica delle particelle degli ultimi 40 anni, quelli che utilizzano fasci di leptoni per
sondare la struttura dei nucleoni e i costituenti fondamentali sono senza dubbio tra i più importanti. Sono
stati infatti l’esperimento di Hofstadter a SLAC e l’esperimento di DESY alla fine degli anni ‘60 con fasci di
elettroni che hanno messo in luce l’esistenza di una struttura interna del nucleone.
Gli esperimenti con sonde di elettroni su protoni come l’esperimento ZEUS giocano tuttora un ruolo di
primo piano nella comprensione della struttura degli adroni e nella formulazione della teoria che descrive le
interazioni tra i loro costituenti: la Cromodinamica Quantistica (QCD).
Il gruppo di Cosenza ha partecipato direttamente alla realizzazione ed al mantenimento del complesso
apparato ZEUS partecipando attivamente coi propri ricercatori al controllo dell’acquisizione dati e alla
realizzazione di studi di Fisica. La nostra Università ha in particolare contribuito alla costruzione e al
mantenimento di due importanti componenti dell'esperimento: il rivelatore per protoni diffusi in avanti a
piccolo angolo (LPS) ed il rivelatore di muoni diffusi nella regione in avanti (FMUON). L’LPS in particolare si
è dimostrato essere uno strumento di importanza fondamentale nello studio di quella classe di eventi
chiamati diffrattivi che sono generalmente descritti in termini di scambio di una "particella", il Pomerone, non
ancora del tutto conosciuta.
La collaborazione all’Esperimento ZEUS ha portato il gruppo ad ampliare le proprie conoscenze su
tecniche di acquisizione dati, tecniche Monte Carlo di simulazione di eventi di Fisica ed elaborate tecniche di
analisi dati ed ha permesso ai propri studenti di partecipare attivamente alla vita dell’esperimento ed
all’analisi di importanti dati di Fisica.
Sono presenti nelle principali riviste internazionali del settore i risultati ottenuti dal nostro gruppo e sono
disponibili i gli atti delle numerose conferenze internazionali alle quali abbiamo partecipato.
Contatti
Prof. Giancarlo Susinno, [email protected]
Prof. Marco Schioppa, [email protected]
Dott.ssa Marcella Capua, [email protected]
Dott.ssa Anna Mastroberardino, [email protected]
Fisica Teorica delle particelle elementari
Il compito di un fisico teorico delle particelle elementari è quello di formulare le teorie che descrivono le
interazioni delle particelle elementari. Tale formulazione si basa sullo studio quantitativo dei processi di
decadimento e di collisione di particelle: dall’analisi di questi processi si traggono informazioni sulle proprietà
intrinseche delle particelle elementari (carica elettrica, momento angolare intrinseco, etc.) e sulla natura delle
loro interazioni. Queste informazioni consentono di dedurre una teoria da sottoporre a verifica mediante il
confronto delle sue predizioni con i risultati degli esperimenti.
La formulazione di maggiore successo per la descrizione delle interazioni fondamentali è la Teoria dei
Campi Quantistica. Una delle conseguenze di questa teoria è che l’interazione tra particelle avviene
mediante lo scambio o la mediazione di altre particelle. Con il linguaggio della Teoria dei campi quantistica è
possibile descrivere con estrema accuratezza tre delle quattro interazioni fondamentali conosciute:
l’interazione elettromagnetica, debole e forte. Una teoria quantistica soddisfacente per l’interazione
gravitazionale deve invece ancora essere trovata.
Nel nostro Dipartimento l’attività di ricerca in Fisica Teorica delle particelle elementari si occupa
principalmente del settore delle interazioni forti del Modello standard, cioè delle interazioni di quark e gluoni.
Per la descrizione di queste interazioni è stata proposta ormai circa trent’anni fa una Teoria di campo
quantistica che prende il nome di Cromodinamica Quantistica o QCD. Il prefisso “cromo” è legato al fatto che
ciascun tipo di quark appare in natura in tre stati diversi, associati convenzionalmente ad un “colore”.
Questa attività di ricerca ha come scopo quello di determinare secondo la QCD le probabilità che, per un
dato processo di collisione che coinvolga quark e gluoni, un certo stato finale venga prodotto. Tale
probabilità teorica va confrontata con la frequenza con cui quello
stato finale si manifesta realmente quando quella collisione è fatta
avvenire un numero elevatissimo di volte in un laboratorio di
ricerca. Così ad esempio viene fatto presso il laboratorio di ricerca
DESY ad Amburgo dove un elettrone ed un protone vengono prima
accelerati fino a velocità prossime a quella delle luce e poi fatti
collidere in una regione dove apparati molto sensibili sono stati
predisposti in modo da rivelare i prodotti della collisione.
Il calcolo delle probabilità teoriche di un dato processo di
collisione richiede l’impiego di tecniche matematiche molto raffinate
ed è spesso molto laborioso. Talvolta esso non potrebbe essere
portato a termine senza l’ausilio del computer.
Se da una lato la QCD è in grado di descrivere
correttamente i processi di collisione alle alte energie,
dall’altro ci si aspetta che essa spieghi il meccanismo
del “confinamento” dei quark negli adroni. Attualmente il
solo strumento conosciuto per far luce su questa
proprietà della QCD è quello della simulazione della
teoria su calcolatore. Per fare ciò è necessario un
artificio, quello di assumere che lo spazio ed il tempo
non siano un continuo, ma un “discreto”, cioè che non
tutte le posizioni o tutti gli istanti di tempo siano possibili,
ma solo alcuni di essi, equamente distanziati. Per fare
una analogia, è come se un piano sia sostituito con un
reticolato rigido ed una particella si possa muovere solo
restando su questo reticolato. Ovviamente, nel limite in
cui il reticolato è infinitamente fitto, il continuo viene
riprodotto.
Questo tipo di attività di ricerca si basa, oltre che su una profonda conoscenza della teoria di campo
quantistica, anche sull’impiego di potenti calcolatori. Il gruppo di Fisica Teorica delle particelle elementari
dispone per questo di vari computer seriali tra i più veloci nel loro genere e condivide con il gruppo di
Astrofisica l’uso di un calcolatore parallelo a 16 processori, tra i più veloci attualmente disponibili sul
mercato. Dispone inoltre di una “farm” di personal computer che al momento consta di 20 processori. Tutti i
ricercatori in Fisica teorica delle particelle elementari sono associati all’INFN (Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare) che sostiene la loro attività di ricerca attraverso finanziamenti destinati, tra l’altro,
all’organizzazione di seminari specialistici e alla partecipazione a conferenze internazionali. Attualmente i
ricercatori di Fisica teorica delle particelle elementari hanno collaborazioni attive con colleghi delle Università
italiane di Bari, Padova, Perugia e Torino e degli istituti di ricerca esteri di Kiev (Ucraina) e Novosibirsk
(Russia).
Lo sbocco naturale per il laureato con laurea specialistica in Fisica delle particelle elementari con
indirizzo teorico è la ricerca di base nell’Università o in altri Enti di ricerca. Tuttavia la notevole capacità di
astrazione e modellizzazione che questo indirizzo di studi fornisce, le solide conoscenze di base in Fisica
generale ed in matematica, la familiarità con i linguaggi di programmazione del calcolatore, assicurano ad
ogni giovane fisico teorico un bagaglio di competenze spendibile anche per altri impieghi professionali.
Contatti
Prof. Roberto Fiore, [email protected]
Dott. Alessandro Papa, [email protected]
Fisica Teorica dei sistemi correlati e transizioni quantistiche di fase
Molto spesso in fisica si ricorre a modelli idealizzati, allo scopo di descrivere con semplici equazioni il
comportamento di sistemi di fatto complessi, costituiti da un gran numero di particelle. Per esempio, torna
oltremodo utile, nello studio dei gas, il modello di “gas ideale”, in cui vengono trascurate la dimensione finita
delle molecole del gas e l’interazione tra di loro. Tuttavia, in natura esistono sistemi che non è possibile
descrivere sulla base di semplici modelli idealizzati, in quanto l’interazione tra le particelle che li
compongono è tale da generare comportamenti “collettivi”, di fatto non prevedibili se si usa un modello di
particelle non interagenti. Per esempio, se si negasse l’esistenza di forze (ancorché deboli) di attrazione tra
le molecole di acqua in fase liquida, sarebbe impossibile spiegare perché questa solidifichi a 0 gradi Celsius.
Sistemi di questo tipo si definiscono, in generale, sistemi correlati.
Le correlazioni, in generale, coesistono con i moti di agitazione termica delle molecole. Spesso sono i
secondi a dominare sulle prime per cui, per la maggior parte dei casi, è difficile rilevare le correlazioni ed i
loro effetti. Tuttavia, se si abbassa, per esempio, a sufficienza la temperatura del sistema, le correlazioni
possono “avere la meglio”. Il risultato è la generazione di una nuova “fase”, in cui il sistema presenta
regolarità strutturali essenzialmente dovute all’interazione. Tali regolarità strutturali molto spesso hanno
conseguenze macroscopiche agevolmente rilevabili. Si pensi, ad esempio, all’ordinamento coerente dei
momenti magnetici all’interno di una calamita, che ne determina le proprietà magnetiche, facilmente rilevabili
sperimentalmente. Si dice, allora, che il sistema si “ordina”, subendo una transizione di fase. A dispetto
della loro complessità, sistemi prossimi all’ordine, od in fase ordinata, sono descrivibili, dal punto di vista
teorico, in maniera semplice, utilizzando tecniche mutuate dalla fisica delle particelle elementari e dalla
teoria delle interazioni tra tali particelle: tecniche di “teoria di campo”, con le quali l’intero sistema fisico viene
trattato come lo spazio vuoto della fisica delle particelle elementari e deformazioni localizzate del sistema
come le particelle stesse.
Diverse sostanze con proprietà di notevole rilevanza, anche in relazione ad applicazioni tecnologiche,
ricadono nella categoria dei sistemi correlati. L’esempio più eclatante è fornito, probabilmente, dai
superconduttori ad alta temperatura critica. La superconduttività è un fenomeno scoperto agli inizi del ‘900
da Kamerlingh Onnes, tipico di diversi metalli i quali, portati ad una temperatura prossima allo zero assoluto
(-273 gradi Celsius) conducono corrente senza perdite di energia, anche per anni. Sostituendo, per esempio,
i comuni cavi in rame dell’alta tensione con cavi superconduttori si otterrebbero inimmaginabili benefici
economici. Il limite di utilizzo di tali sostanze viene chiaramente imposto dalla bassa temperatura dei
superconduttori. Tuttavia, negli ultimi venti anni sono state scoperte sostanze in gradi di supercondurre a
temperature prossime al centinaio di gradi Kelvin. La fisica di tali materiali è tuttora costellata di numerose
zone d’ombra, mentre è noto da quasi cinquant’anni il meccanismo per cui si genera la superconduttività a
bassa temperatura.
Una branca della ricerca in fisica teorica svolta presso il Dipartimento di Fisica dell’Università della Calabria
ha come argomento proprio lo studio di sistemi correlati con tecniche e modelli di teorie di campo derivati
dalla fisica delle interazioni fondamentali e dalla meccanica statistica. Nei casi in cui ciò sia possibile,
vengono applicate anche tecniche matematiche sofisticate, dalle quali si ricavano informazioni esatte su
semplici modelli matematici i quali, tuttavia, dovrebbero fornire una descrizione fedele delle proprietà
rilevanti di sistemi fisici, almeno nelle fasi di interesse. L’aspetto forse più affascinante di tale tipo di ricerca è
sicuramente la sua interdisciplinarietà. Lavorare alla teoria dei sistemi correlati e delle transizioni di fase
significa conoscere e padroneggiare bene differenti tecniche di analisi teorica, crearsi un buon substrato
culturale sia in fisica delle interazioni fondamentali che in struttura della materia, molto spesso utilizzare il
calcolatore per verifiche numeriche di risultati complessi. Soprattutto, significa conoscere e comprendere
l’aspetto sperimentale del problema. Esperimenti in fisica dei sistemi correlati sono ancora, fortunatamente,
esperimenti “a basso costo”, realizzabili con spese relativamente limitate in laboratori universitari, per cui
molto spesso, in quest’ambito, la teoria ottiene un riscontro sperimentale quasi immediato.
Su questi argomenti il Dipartimento di Fisica ha attualmente in corso diverse collaborazioni, sia italiane
(Università di Napoli “Federico II”, Università di Perugia) che straniere (Stanford University – Stati Uniti).
Un curriculum da teorico dei sistemi correlati costituisce da una parte un punto di partenza per intraprendere
una carriere nella ricerca scientifica in un ambito all’avanguardia, sia in Italia che all’estero, dall’altra, una
buona presentazione per chi voglia perseguire una carriera in industrie che lavorino su componenti per
macchine elettroniche, calcolatori, nanotecnologie, e così via.
Contatti
Dott. Domenico Giuliano, [email protected]
Fisica Sanitaria
1- Fisica Biomedica
L’attività del gruppo, di recente formazione nel Dipartimento, privilegia gli aspetti di ricerca applicata che
consentono il trasferimento di conoscenze e metodologie scientifiche alle aziende sanitarie del territorio
locale. I principali settori di interesse, emersi dalla stretta collaborazione con le principali Aziende
Ospedaliere Calabresi e dal confronto con le analoghe strutture già operative nelle altre Università Italiane,
sono:
definizione e mantenimento di un percorso formativo di fisica sanitaria nell’UNICAL;
diagnostica medica attraverso acquisizione ed analisi di immagini mediche;
radioterapia nel trattamento di tumori.
A questi se ne aggiungono altri di supporto tra cui due sono significativamente rilevanti: Radioprotezione
e Dosimetria.
Didattica e Formazione in Fisica Sanitaria
Negli ultimi anni in numerosi reparti delle aziende ospedaliere:
radiologia, medicina nucleare e radioterapia, si fa ricorso a
strumenti che gradualmente diventano sempre più incisivi nella
diagnostica e terapia medica. La complessità nell’utilizzo, nel
controllo e nella ricerca di ulteriori potenziamenti richiede una
stretta collaborazione tra fisici e medici.
La formazione di fisici, in grado di far fronte a tale
collaborazione, deve tener conto delle richieste che provengono
dal settore sanitario e in special modo da quello locale. La recente
innovazione formativa del curriculum universitario consente di
fornire livelli di preparazione specialistica e culturale in base alle
esigenze specifiche.
E’ stato delineato un percorso che
caratterizza la formazione in Fisica Biomedica dal I livello di
laurea.
Il I livello triennale è finalizzato ad una preparazione di base
nelle tecnologie fisiche, all’introduzione delle tematiche della Fisica
Biomedica e all’acquisizione delle capacità necessarie ad effettuare
Controlli di Qualità delle principali strumentazioni scientifiche utilizzate
in Fisica Biomedica.
Il II livello specialistico provvede al potenziamento delle
informazioni fornite nel I livello e include la formazione necessaria per
l’applicazione delle metodologie fisiche nella diagnostica e terapia
medica.
L’ultimo livello prevede due percorsi paralleli; il primo,
attraverso il Dottorato di Ricerca, finalizzato ad ottenere la
preparazione necessaria all’inserimento nei settori di ricerca applicata
alla Fisica Biomedica; il secondo, attraverso la Scuola di
Specializzazione in Fisica Sanitaria, con l’obiettivo a fornire la
preparazione necessaria per assumere un grado dirigenziale nelle
unità operative di Fisica Sanitaria delle aziende ospedaliere.
Diagnostica medica
Il gruppo di Fisica Biomedica dell’UNICAL sta portando avanti un
progetto teso ad integrare immagini mediche che si ottengono con diversi
approcci tecnici. In generale un’immagine medica può provenire da
esami in grado di dare informazioni di diverso tipo: anatomico (ad
esempio: Tomografia Assiale Computerizzata - TAC e Risonanza
Magnetica Nucleare - NMR) e funzionali (Tomografia ad Emissione di
Positroni - PET e Tomografia Computerizzata ad Emissione di Singolo
Fotone - SPECT). Le prime, in grado di offrire informazioni sulla
morfologia del campione in esame, e quindi sulle sue dimensioni e il suo
posizionamento all’interno del paziente; le seconde, atte a fornire
elementi sul funzionamento delle cellule della regione analizzata.
L’obiettivo che si vuole raggiungere è quello di inserire l’informazione
ottenuta con l’indagine funzionale nelle immagini ottenute con il metodo
anatomico. Tale correlazione permetterà di calcolare la dose da
somministrare al paziente, elaborando un piano terapico che tenga conto
delle regioni attraversate e della reale dimensione del volume da
irradiare.
Radioterapia nel trattamento di tumori
Il gruppo collabora al progetto IORT/ENEA
che ha come obiettivo principale la
realizzazione di un nuovo acceleratore lineare
di elettroni per radioterapia intraoperatoria
(IORT):
una
modalità
di
trattamento
radioterapico,
che
consiste
nella
somministrazione, attraverso la breccia
operatoria, di una dose massiccia di
radiazione sul letto da cui è stato asportato il
tumore.
La macchina acceleratrice, già in fase di
realizzazione, sarà installata nella sala
operatoria dell’Ospedale Civile “Annunziata” di
Cosenza. Avrà caratteristiche innovative
rispetto agli acceleratori attualmente dedicati per IORT. In particolare si vuole ottenere una maggiore
stabilità di funzionamento all’energia richiesta per i trattamenti IORT (tipicamente 7 MeV) e un minore rilascio
di dose per impulso. Attualmente si lavora alla messa a punto e collaudo dell’acceleratore che comporta: lo
studio delle caratteristiche del fascio di elettroni, lo studio delle caratteristiche del campo di radiazione, la
verifica della stabilità di erogazione, la misura della radiazione ambiente e la progettazione dei collimatori. Si
farà ricorso alle moderne tecnologie di calcolo e gli strumenti software messi a punto per descrivere i
fenomeni fisici alle energie di interesse, per ottenere la distribuzione di dose correlata alle geometrie dei
collimatori che si potranno usare.
Responsabile
Prof. Ernesto Lamanna, [email protected]
2 - Il Laboratorio di Fisica Ambientale
Per affrontare e risolvere problematiche in campo ambientale è ormai indispensabile prevedere l’utilizzo
di un Sistema Informativo Geografico come strumento di supporto. I GIS (acronimo di Geographical
Information System) possono essere definiti come l’insieme delle tecnologie informatiche che consentono
l’acquisizione e la gestione di dati geografici, ovvero, di dati che rappresentano oggetti, eventi e fenomeni
che fanno riferimento alla superficie terrestre. Sono esempi di dati geografici un edificio, una strada, un
fiume o, ancora, la distribuzione delle temperature o il grado di umidità di una zona.
Ciò che distingue i Sistemi Informativi Geografici da tutti gli altri Sistemi Informativi è la capacità di
integrare i dati geografici e quelli descrittivi ad essi correlati e di utilizzarli per effettuare operazioni di analisi
e interrogazioni. Questa peculiarità rende tale strumento particolarmente utile a tutti quegli enti, pubblici e
privati, che hanno necessità di controllare il territorio per monitorare situazioni esistenti, per prevenire
conseguenze e programmare strategie.
Tra gli innumerevoli ambiti di applicazione dei GIS ci stiamo interessando della gestione delle
problematiche concernenti l’inquinamento ambientale. In particolare, stiamo realizzando per l’intera Calabria,
un archivio informatizzato e georeferenziato delle sorgenti che emettono campi elettromagnetici in ambiente
esterno (elettrodotti, stazioni fisse per la telefonia mobile, impianti di trasmissione radiofonica e televisiva ed
altre ancora). Per alcune città il lavoro è già ultimato. Un archivio di questo tipo permetterebbe non solo di
visualizzare la distribuzione territoriale delle sorgenti, ma anche di accedere rapidamente a qualunque
informazione che possa risultare di interesse ai fini di un accertamento di eventuali situazioni di emergenza:
dai dati riguardanti le caratteristiche tecniche e di emissione dei sistemi radianti a quelli di carattere
demografico relativi alla zona interessata dall’installazione, a quelli concernenti la destinazione d’uso degli
edifici ubicati in prossimità degli impianti. Il sistema verrà tra breve integrato con immagini da satellite
dell’area di nostro interesse.
Lo scopo finale di tutto il lavoro sarà quello di introdurre nel nostro sistema, oltre ai dati ambientali, quelli
sanitari per avviare delle indagini epidemiologiche in tutta la Calabria. Solo in questo modo è possibile
individuare le situazioni più critiche e programmare, in funzione di esse, gli interventi di controllo e vigilanza,
e verificare l’efficacia d’interventi di risanamento. Infine, quando possibile si potrà simulare l’impatto
ambientale conseguente all’adozione di provvedimenti normativi di regolamentazione.
Data la natura interdisciplinare dei problemi da affrontare, nel Laboratorio di Fisica Ambientale, lavorano
ricercatori con diverse competenze. Oltre ai laureati in Fisica, ci sono laureati in Geologia, in Ingegneria per
l’Ambiente ed il Territorio, e si spera a breve di far arrivare laureati in Chimica e Biologia.
Responsabile
Prof. Giovanni Falcone, [email protected]
Fisica degli Stati Condensati
1-
Fisica delle superfici ed interfacce
Laboratorio di SPETTROSCOPIA ELETTRONICA DI SUPERFICIE (SPES)
e
Laboratorio di IDRURI METALLICI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA (MHES)
La Fisica delle Superfici e delle Interfacce si occupa di studiare le proprietà (elettroniche e strutturali)
della parte di solido in contatto con l’ambiente esterno. La superficie è l’equivalente della “pelle” del nostro
corpo, che è in contatto con l’aria come la superficie di un solido è in contatto con altri elementi chimici e
fisici. La Fisica delle Superfici e delle Interfacce è importante, ad esempio, nei fenomeni di ossidazione ed
interviene a definire le proprietà dei transistor ed, in generale, dei dispositivi elettronici. Dal punto di vista
tecnologico, è la Fisica dei componenti dei computer, dei telefoni cellulari, delle comunicazioni, ed inoltre di
processi catalitici e delle celle a combustibile per la produzione di energia. Dal punto di vista fondamentale, è
la Fisica che studia le interazioni atomo- superficie e la disposizione degli atomi in superficie.
a)
Descrizione del Laboratorio di Spettroscopia Elettronica di Superficie
Il laboratorio ha iniziato la sua attività nel 1978. Attualmente sono disponibili due apparati sperimentali
tecnologicamente avanzati per Ultra Alto Vuoto (atmosfera nell’apparato 10-11 Torr), finalizzate a varie
tecniche di caratterizzazione delle superfici e basate sull’interazione tra particelle incidenti (elettroni, fotoni
X, fotoni ultravioletti) e la superficie.
Linea di Ricerca
Chemisorbimento e catalisi: proprietà elettroniche delle superfici, interazioni gas-superficie, strutture di
superfici.
Schematizzazione di atomi (in giallo)
su una
superficie (atomi in blu) di un monocristallo:
“adsorbimento”, ed immagine reale della superficie
(atomi in blu) con atomi (in bianco) su di essa.
L’immagine
è stata eseguita con un moderno
microscopio in grado di visualizzare i singoli atomi
(sogno di Democrito!). In alto a destra è mostrato un
apparato sperimentale per Ultra Alto Vuoto (atmosfera
nell’apparato10-11 Torr).
Di lato si vede una immagine reale di una superficie
di un monocristallo di silicio.
quando questa viene bombardata con elettroni ?
Alcuni atomi vibrano, e le vibrazioni vengono rivelate con uno Spettrometro ad alta risoluzione in energia.
Un esempio è riportato sotto a destra nel caso di Ossigeno su una superficie di un monocristallo di Argento.
b) Descrizione del Laboratorio di Idruri Metallici per l’Accumulo di Energia (MHES)
Il Laboratorio MHES è attivo dal 1999 ed è sorto a seguito di un finanziamento INFM (Progetto SUD). E’
dotato di un apparato sperimentale per la caratterizzazione di idruri con tecniche di fisica delle superfici, sia
in ultra alto vuoto che in atmosfera controllata di idrogeno. E’ dotato anche di un apparato per esperimenti di
calorimetria su celle elettrochimiche.
Linea di Ricerca
Idruri metallici
Attività del Laboratorio “Metal Hydrides for Energy Storage : MHES" : studio delle proprietà di superficie di
metalli e leghe in presenza di idrogeno.
L’accumulo di energia dipende dalle proprietà di superficie!
Discharge
Ni(OH) 2 + M
Charge
NiOOH + MH
e-
eM etal Hydride electrode
Ni(OH)2 electrode
H+
Charge
Hydride formation
H+
Discharge
Hydrogen release
Reazioni chimiche che avvengono all’interfaccia elettrodo - elettrolita
Stato dell’arte
L'accumulo dell'energia attraverso l'assorbimento di idrogeno nei metalli e nelle leghe sta assumendo
un'importanza tecnologica crescente. Le batterie ricaricabili ad idruri hanno capacità di accumulare il 50% di
energia in più, rispetto a quelle tradizionali basate su elettrodi in Nichel e Cadmio il cui utilizzo è limitato alle
applicazioni a basso consumo di energia. L'uso di una lega metallica come elettrodo negativo di una batteria
ricaricabile viene sempre più perseguito poiché la dispersione nell'ambiente degli accumulatori al Cadmio,
materiale tossico, rappresenta un notevole rischio.
Le batterie ad idruri possiedono, tra l'altro, una elevata densità di energia, un'alta efficienza di carica, una
bassa dipendenza dalla temperatura delle caratteristiche operative, ed assenza di effetti di memoria.
Rimangono aperti tutta una serie di problemi quali, ad esempio, il costo delle leghe e la corrosione
nell'elettrolita. Sono quindi i fenomeni di superficie e la ricerca di nuove leghe meno costose, i terreni di
maggiore interesse per la comunità scientifica.
c) Attività di luce di Sincrotrone
Il Sincrotrone è una sorgente di luce molto intensa. Detto in poche e “profane” parole, è “una grande
lampadina” che emette luce con caratteristiche irraggiungibili in laboratori universitari. Le attività di Fisica
delle Superfici elencate sopra, si possono svolgere presso i Sincrotroni esistenti in Italia (Trieste) ed in
Europa. Il Gruppo svolge esperimenti di Fisica di Superficie per un periodo di circa due mesi all’anno.
I Sincrotroni finanziano in parte queste attività sia come rimborso spese per i ricercatori e sia attraverso
borse per laureandi.
ELETTRA, il Sincrotrone di Trieste:
le dimensioni della circonferenza sono
259m. L’energia degli elettroni è di 2
miliardi di elettron-volt.
Gli
elettroni
descrivono
delle
circonferenze ed emettono luce molto
intensa e polarizzata lungo la tangente alla
loro traiettoria.
La luce emessa viene convogliata lungo
canalizzazioni di acciaio (linee di luce) e
viene portata nella camera da ultra alto
vuoto ove si eseguono le misure di Fisica
delle superfici.
Traiettoria degli elettroni nell’anello di Trieste:
gli elettroni prima vengono accelerati nel tratto rettilineo
e poi vengono immessi nell’anello dove il processo di
accelerazione continua.
Tangenzialmente alla traiettoria circolare viene emessa
luce “quasi bianca”. Questa viene incanalata nelle “linee di
luce” ed usata per gli esperimenti.
d) Collaborazioni
Le attività di ricerca scientifica vengono svolte in
collaborazione con ricercatori italiani e stranieri e con il
patrocinio dell’Università della Calabria e di Enti di Ricerca.
L’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia, (INFM), è
uno di questi Enti di Ricerca. L’Istituto promuove e finanzia attività di ricerca nel campo della Fisica della
Materia. Ad esempio, ha finanziato il Progetto Sud che ha coinvolto molte delle Università del Sud Italia con
un finanziamento di gran lunga superiore ai finanziamenti ordinari ministeriali o regionali. Forte è il
coinvolgimento dell’INFM nella promozione delle attività di ricerca di Fisica fondamentale ed applicata, della
didattica con mezzi multimediali ed innovativi e nel “sostegno” delle attività imprenditoriali (SPIN-OFF).
L’Unità INFM della Calabria ha sede nel Dipartimento di Fisica, ed è una delle 38 Unità di cui è formato
l’Istituto INFM e rispecchia nel suo piccolo l’organizzazione dell’Istituto.
e) Attività nel campo della didattica del Laboratorio MHES
Alcuni dei ricercatori del Laboratorio MHES si occupano anche di didattica in collaborazione con la
Società DELTAE Srl e dell’INFM. Costoro progettano e realizzano esperimenti da presentare alle scuole,
promuovono anche attività di aggiornamento didattico attraverso seminari e conferenze.
Partecipanti: Elio Colavita, Luigi Papagno, Gaetano Cannelli, Gennaro Chiarello, Vincenzo Formoso,
Raffaele Agostino, Anna Cupolillo, Daniela Pacilè, Salvatore Abate, Giovanni Desiderio, Vito Fabio, Eugenio
Li Preti.
E-mail: [email protected];
[email protected];
[email protected]; [email protected];
[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected];
[email protected]
2-
Interazione Ioni-Superficie
La tecnica di misura da noi adottata consiste nel rilevare
degli spettri, di elettroni o ioni emessi da un campione in
seguito al bombardamento del campione stesso con ioni o
elettroni. Gli spettri possono essere rilevati a vari angoli di
incidenza e di emissione ed a varie energie del proiettile.
Dallo studio di questi spettri si possono trarre informazioni
sulla struttura elettronica e sulla composizione del campione.
Essendo l’emissione molto sensibile allo stato della
superficie, particolare attenzione deve essere posta sulla
pulizia del campione. E’ questo uno dei motivi per cui si
lavora in un ambiente da ultra-alto-vuoto .
L’apparato sperimentale utilizzato per le misure è
costituito da una camera da ultra-alto-vuoto (UHV), su cui
per esempio può essere montata la seguente
strumentazione (vedi figura (1)):
1) cannoni ionici;
fig. 1 Rappresentazione schematica dell'apparato sperimentale
2) cannone elettronico;
3) un analizzatore emisferico variabile in posizione (GEA);
4) un manipolatore di precisione per variare la posizione del campione in camera.
Il cannone ionico permette di avere un fascio di ioni di profilo gaussiano con una larghezza a metà
altezza dell’ordine del millimetro. Esso è costituito da un filamento di tungsteno, che per effetto termoelettrico
emette elettroni. Questi sono opportunamente accelerati e urtando contro gli atomi gli ionizzano. Tutto ciò
avviene in una parte del cannone detta camera di ionizzazione la cui pressione raggiunge 10 -3-10-4 torr.
Nell’altra parte del cannone (camera di focalizzazione) sono una serie di lenti elettrostatiche che permette di
focalizzare il fascio sul campione. Gli ioni possono essere accelerati fino ad una energia che può variare da
(0.1÷15) keV.
Gli elettroni sono emessi da un filamento di
tungsteno per effetto termoelettrico, quando questo
viene attraversata da una corrente, e successivamente
vengono accelerati e focalizzati con un sistema di lenti
simili a quelle utilizzate per il cannone ionico. Il fascio
elettronico così ottenuto ha una dimensione dell’ordine
del millimetro.
L’analizzatore emisferico permette di fare un’analisi
in energia degli elettroni. Esso è costituito da due
semisfere metalliche, (vedi fig. (3)) su cui è applicata
una opportuna differenza di potenziale (V); in questo
modo solo gli elettroni che hanno una certa energia
riescono a compiere un cammino circolare tra le due
fig. 2 Rappresentazione schematica del cannone ionico
semisfere e quindi giungere dall’altra estremità
dell’analizzatore.
Contatti
Prof. Antonino Oliva, [email protected]
Prof.ssa Assunta Bonanno, [email protected]
Dott. Michele Camarca, [email protected]
Dott. Fang Xu, [email protected]
3- Liquidi e Sistemi Disordinati
Con il termine di cristalli liquidi (CL) indichiamo un gran
numero di stati della materia molle condensata nei quali
l’ordine orientazionale è associato ad un ordine posizionale
ridotto o inesistente. Questi stati hanno quindi proprietà
intermedie tra solidi e liquidi e, in particolare, dei primo
possiedono l’anisotropia mentre hanno la fluidità dei
secondi. Queste proprietà sono alla base delle loro
numerose applicazioni tecnologiche, per esse infatti le fasi
liquido-cristalline o mesofasi oltre ad avere peculiari
proprietà ottiche sono anche facilmente orientabili mediante
l’applicazione di campi elettrici e magnetici esterni.
Le molecole che costituiscono i CL sono generalmente
organiche e di forma allungata, hanno la lunghezza di una
ventina di Angstrom ed uno spessore 4-5 volte inferiore. Le
proprietà macroscopiche di un volume di CL è fortemente
influenzato dall’ordine tra le molecole il quale è funzione della
temperatura. Le fasi più ordinate precedono in temperatura
quelle meno ordinate. Per esempio, quella nematica è la
prima mesofase che possiamo incontrare raffreddando un
fluido isotropo, essa e caratterizzata dal solo ordine
orientazionale. A temperature più basse incontriamo le fasi
smettiche le quali oltre all’ordine orientazionale possiedono
ordine posizionale in una dimensione, nel caso delle fasi
smettiche A e C, o in due per ogni altra fase smettica.
L’orientazione molecolare della fase nematica è
inizialmente fissata dalle superfici di contenimento del liquido
ed è facilmente modificabile variando l’ampiezza di un campo
elettrico esterno applicato. Per questo motivo, i nematici sono
i materiali più usati per la costruzione degli schermi a cristallo
liquido. I termini STN, CSTN, DSTN, HPA e TFT si riferiscono
alle tecniche utilizzate per l’allineamento, lo schema ottico o
per l’indirizzamento elettrico del dispositivo. Più di recente, è
stato introdotto l’uso di materiali smettici di tipo C ferroelettrici
per la produzione di dispositivi FLC e SSFLC, i quali
superano le caratteristiche dei dispositivi a nematico
soprattutto in velocità di risposta. Questi ultimi dispositivi sono
però
ancora
troppo
sensibili
ad agenti esterni quali la temperatura e gli urti meccanici per
consentirne un uso commerciale.
Sul finire degli anni settanta sono comparsi sul
mercato i primi display a CL. Si trattava di piccoli
dispositivi alfanumerici che utilizzavano la tecnologia di
twisted nematico (TN). Per questi motivi e per il prezzo
non proprio contenuto, hanno trovato applicazione in
prodotti di livello superiore: nelle calcolatrici, negli orologi
e nella strumentazione elettronica. I CL hanno ben presto
soppiantato i dispositivi alfanumerici a scarica ed a led per
merito delle maggiori durata ed affidabilità.
In un ventennio gli schermi a CL commerciali hanno
raggiunto le dimensioni di 42 pollici e la capacità di
visualizzare migliaia di colori con un contrasto, una
nitidezza ed un campo visivo che nulla hanno da invidiare ai migliori schermi a raggi catodici (CRT) presenti
in commercio, rispetto ai quali presentano però un consumo
d’energia ed un livello di emissioni nocive inferiori oltre a
richiedere uno spazio inferiore. Di pari passo con la loro
diffusione anche il loro prezzo è diminuito, cosicché, almeno
nel caso dei dispositivi da 13-15 pollici che sono i più
utilizzati per i computer, gli schermi a CL cominciano ad
essere competitivi.
Benché l’aspetto applicativo sia prevalente nelle attività
che riguardano lo studio dei CL, essi sono un interessante
campo di ricerca anche per la fisica fondamentale, sia a
causa delle loro interessanti proprietà strutturali e dinamiche
che come modelli di altri sistemi complessi che possono
essere sottoposti ad osservazione con maggiore difficoltà.
Per questo motivo, la ricerca nel campo dei Cl richiede
competenze di diverse discipline scientifiche, in particolare di
fisica, chimica ed elettronica, le quali più facilmente possono
essere trovate in Centri di Ricerca. Il Center for Advanced
Liquid Crystalline Optical Materials della Kent State University , il Ferroelectric Liquid Crystal Materials
Research Center della Colorado State University, il Microtechnology Centre della Chalmers University di
Goteborg sono i tre maggiori centri scientifici del mondo nel quale sia operante un nucleo di ricercatori nel
campo dei cristalli liquidi; il primo di questi centri è addirittura completamente dedicato alla ricerca sui CL.
Anche all’Università della Calabria operano tre diversi gruppi, due di
chimici ed uno di fisici, la cui attività di ricerca è prevalentemente finalizzata
allo studio dei CL. Costituitosi più di venti anni fa, il gruppo di Fisica
Molecolare ed Ottica ha sede nel cubo 33B del Dipartimento di Fisica conta,
attualmente, circa 30 ricercatori, sette dei quali occupano una posizione
permanente all’interno del Università. Per la ricerca di base ed applicativa è
disponibile diversa strumentazione elettronica ed ottica, la quale può essere
utilizzata per allestire su dei banchi ottici diverse tecniche sperimentali adatte
allo studio dei CL; microscopia ottica in luce polarizzata, fotopolarimetria,
spettroscopia a battimento di fotoni, interferometria laser, spettrofotometria
UV-VIS-NIR e spettroscopia IR sono alcune delle tecniche sperimentali più
utilizzate. In laboratorio sono inoltre disponibili alcune facility alla ricerca di
particolare valore: una camera pulita
(classe 100) con l’estensione di
200mq per la preparazione dei
dispositivi elettro-ottici, un sistema di
sputtering DC, un evaporatore, una
vasca di Langmuir per la deposizione
di film sottili (organici ed inorganici), un microscopio a forza atomica
(AFM), un microscopio a scansione di campo vicino (SNOM), un
ellissometro spettroscopico per la caratterizzazione dei substrati, un
laser a colorante in grado di generare impulsi ultracorti (minori di 200
fs) ed un sistema Raman confocale.
Il gruppo di ricerca fa parte dell’INFM ed annovera collaborazioni
internazionali e nazionali con diversi gruppi di ricerca Europei e
Statunitensi e partner industriali tra i quali la Hewlett & Packard;
queste collaborazioni presuppongono anche lo scambio di personale all’interno dei network europei Silcnet,
Salcnet, Orchis e di un progetto Copernicus di scambio con i paesi dell’ex URSS. I progetti di ricerca
applicativa finanziata in corso di svolgimento comprendono due progetti CIPE (su cristalli liquidi e materiali
elettrocromici), un progetto di co-finanziamento MURST sui sistemi elettrocromici, un progetto PAIS-INFM
sulla creazione di reticoli olografici mediante tecnica laser ed, infine, la creazione di un laboratorio prototipi
nell’ambito del CALPARK.
Linee di ricerca di base
Proprietà di superficie e dinamica dei cristalli liquidi
Caratterizzazione strutturali e dinamiche di specie liquido cristalline, Sistemi dinamici non lineari in
mezzi anisotropi
Ottica in cristalli liquidi e materiali liquido cristallini
Reticoli olografici in materiali liquido cristallini
Materiali elettrocromici
Linee di ricerca applicata
Laboratorio scientifico-tecnologico di servizi per i cristalli liquidi
Schermi innovativi a cristalli liquidi ed elettro-ottica applicata
Memorie ottiche a cristalli liquidi
Divulgazione scientifica: sperimentando
Contatti
Prof. Roberto Bartolino
Prof. Cesare Umeton
Prof. Enzo Cazzanelli
Prof. Nicola Scaramuzza
Prof. Riccardo Barberi
Dott. Gabriella Cipparrone
Dott. Carlo Versace
4- La ricerca in Fisica Teorica di Struttura della Materia
La ricerca in Fisica Teorica di Struttura della Materia è la più antica del Dipartimento di Fisica perché
istituita fin dalla fondazione dell’Università della Calabria. La scopo iniziale era quello di sviluppare una
ricerca teorica nel campo dell’interazione plasma-parete nei reattori a fusione. La ricerca teorica si è allora
sviluppata inizialmente nel campo dell’erosione di superfici (sputtering) e riflessione di ioni da superfici,
entrambi fenomeni essenziali per capire l’interazione plasma-parete. La ricerca si è poi ampliata nel campo
dell’impiantazione ionica e dello stato di carica di particelle emesse dai solidi in seguito a bombardamento
ionico, seguendo l’evoluzione che negli anni 70 ed 80 si è avuta, sia con la fisica del silicio e dei circuiti
integrati che con lo sviluppo della strumentazione di analisi di superficie. Aspetti del fenomeno dello
sputtering e della riflessione di ioni da solidi continuano a far parte dell’interesse del gruppo.
Quando lo spostamento dell’interesse della comunità scientifica è passato dai processi di
danneggiamento delle superfici all’analisi delle proprietà delle stesse, il gruppo si è avvicinato alla fisica delle
superfici più propriamente detta. Il formalismo della teoria per i molti corpi, usato per spiegare lo stato di
cariche delle particelle in moto, è stato adattato ad alcuni aspetti della fotoemissione. Infine, il gruppo studia i
processi di emissione ed assorbimento della luce da parte di atomi e molecole, ed in particolare i
meccanismi che consentono, grazie all'uso di laser o di altri campi esterni, di controllare la produzione e la
propagazione della luce tramite gas atomici o molecolari. In tal caso, si può anche controllare lo stato (e
quindi, in particolare la velocità) degli atomi utilizzando fasci di luce opportunamente preparati. Addirittura,
irraggiando il gas, si può raffreddarlo fino a temperature prossime allo zero assoluto.
Contatto
Prof. Giovanni Falcone, [email protected]
5- La ricerca in Fisica dei Sensori
Linea di ricerca
Studio delle superfici di sensori per gas mediante tecniche di spettroscopia elettronica.
Principali collaborazioni in atto
Dipartimento di Chimica Industriale dell'Università di Messina
Dipartimento di Chimica e Fisica per L'ingegneria e per i Materiali dell'Università di Brescia
Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica dell'Università della Calabria.
Contatto
Prof. Lorenzo Caputi, [email protected]
