211service.com
Nobel per le tecnologie ottiche rivoluzionarie
Il Premio Nobel 2009 per la fisica è stato assegnato a tre ricercatori il cui lavoro ha costituito la base delle moderne telecomunicazioni e dell'imaging digitale. Il premio riconosce Charles K. Kao, le cui scoperte hanno portato a una svolta nella fibra ottica, e Willard S. Boyle e George E. Smith, che hanno inventato il sensore di immagine CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica).
Premi Nobel: I vincitori del Premio Nobel per la fisica di quest'anno sono, da cima a fondo, Charles K. Kao, ex Standard Telecommunication Laboratories, e Willard S. Boyle e George E. Smith, ex Bell Laboratories.
Le fibre ottiche trasportano quasi tutti i dati delle telecomunicazioni e costituiscono la spina dorsale di Internet. In combinazione con il laser e il transistor, l'invenzione di una fibra ottica efficiente e a bassa perdita ha reso possibile una comunicazione quasi istantanea in tutto il mondo, ha affermato in una nota H. Frederick Dylla, direttore dell'American Institute of Physics.
Il lavoro è stato fatto a metà degli anni '60. L'invenzione del laser all'inizio degli anni '60 ha spronato i ricercatori a sviluppare un pratico mezzo di trasmissione della luce, in grado di trasmettere dati molto più velocemente delle onde radio. Le fibre ottiche, tuttavia, non sembravano promettenti all'epoca a causa dei loro alti tassi di attenuazione: solo l'1% circa della luce inviata attraverso la fibra sarebbe stata trasmessa fino a 20 metri.
L'intuizione di Kao era di concentrarsi non solo sulla fisica della luce, ma sulle proprietà materiali del mezzo stesso. Nel 1966, da giovane ingegnere presso gli Standard Telecommunication Laboratories di Harlow, nel Regno Unito, Kao scoprì le cause alla base dell'attenuazione nella fibra ottica: le impurità di ferro le facevano assorbire e disperdere la luce. Il vetro puro, ha suggerito, sarebbe stato un vettore migliore e avrebbe anche presentato vantaggi in termini di costi.
Dopo ulteriori studi su come la luce di diverse lunghezze d'onda viaggia attraverso diversi mezzi, Kao e i suoi colleghi hanno indicato il biossido di silicio come il materiale migliore. Ma il biossido di silicio è difficile da lavorare. Un team di ricercatori della Corning Glass Works ha realizzato i progetti di Kao nel 1970, utilizzando una camera di reazione ad alta pressione per formare le prime fibre ottiche a bassa perdita, e altri presso i Bell Laboratories hanno perfezionato la tecnica di produzione per ridurre i costi.
Le moderne fibre ottiche sono persino migliori di quanto previsto da Kao, perdendo solo il 5% della luce su una distanza di un chilometro. Nel 1988 fu posata la prima fibra ottica intercontinentale, lunga 6.000 chilometri, tra Europa e America; oggi ci sono oltre un miliardo di chilometri di fibra ottica in tutto il mondo, e ogni giorno se ne aggiungono sempre di più.
L'altra metà del Premio Nobel per la fisica di quest'anno va agli inventori del CCD, un dispositivo che converte le immagini in segnali elettrici, rivoluzionando così la fotografia e l'imaging digitale.
Mentre il lavoro di Kao è nato da uno sforzo concertato per trovare un mezzo di telecomunicazione migliore, quello di Boyle e Smith non era previsto. Hanno sviluppato il CCD ai Bell Labs nel 1969, dopo aver abbozzato il progetto di base durante una sessione di brainstorming di un'ora. Il principio alla base del CCD è l'effetto fotoelettrico, in parte teorizzato da Albert Einstein, che gli valse il Premio Nobel nel 1921 . Quando bombardati da un fotone, alcuni materiali emettono un elettrone. Il progetto di Boyle e Smith è un chip di silicio la cui superficie è ricoperta da una griglia di condensatori che immagazzinano gli elettroni creati quando il chip è illuminato. Ogni condensatore è un pixel. Il numero di elettroni immagazzinati in ciascun condensatore è proporzionale all'intensità della luce in quella parte dell'immagine. L'immagine può essere letta estraendo le cariche dal CCD.
Il vantaggio del CCD rispetto alle pellicole chimiche sensibili alla luce e persino all'occhio umano è la sua elevata sensibilità. Sull'intero spettro della luce, dagli infrarossi ai raggi X, i CCD possono catturare il 90% dei fotoni in ingresso. L'occhio o una cinepresa catturano solo l'1% di questi fotoni.
Un anno dopo la loro invenzione, Boyle e Smith realizzarono una videocamera basata sul sensore di immagine digitale; nel 1981 Sony ha introdotto sul mercato il prima telecamera CCD , Mavica. Gli astronomi sono stati i primi ad adottarlo e hanno utilizzato i sensori per catturare immagini di oggetti celesti distanti che prima erano invisibili.
Oggi il CCD deve affrontare la concorrenza di un altro chip di imaging digitale inventato nello stesso periodo: il CMOS (semiconduttore di ossido di metallo complementare). Entrambi i dispositivi si basano sull'effetto fotoelettrico. Mentre il CCD dirige gli elettroni dal chip in un unico flusso per essere letti, i dati dai pixel CMOS vengono letti sul posto, risparmiando energia e prolungando la durata della batteria. Tuttavia, il CMOS non è sensibile come il CCD, che presenta comunque vantaggi per applicazioni avanzate come l'astronomia e l'imaging medico.