Marc Cahay

Professore
Università di Cincinnati
Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica
Cincinnati, Ohio, Stati Uniti

Formazione scolastica:

• Dottorato in Ingegneria Elettrica, Purdue University, dicembre 1987
• MS Fisica, Purdue University, dicembre 1986
• Laurea in Fisica, Università di Liegi, Belgio, luglio 1981 

Focus del lavoro: 

Marc tiene corsi di analisi di rete, elettronica, sistemi quantistici e informatica quantistica e svolge ricerche nel campo della nanoelettronica e della microelettronica del vuoto. 

Consigli agli studenti:

“Molti nuovi sviluppi delle nanotecnologie stanno abbracciando sempre più aree diverse come la matematica, la fisica, l’ingegneria, la scienza dei materiali, la chimica e persino la biologia. Suggerirei agli studenti delle scuole superiori di scegliere il proprio curriculum di conseguenza per comprendere il maggior numero possibile di queste aree”.

Collegamenti:

  – Università di Cincinnati

Colloquio:

D: In quali campi tecnici delle nanotecnologie si applica meglio il tuo lavoro?
Cahay:

• Nanoelettronica
• Nanomateriali
• Modellazione e simulazione
• Nanofabbricazione
• Nanomagnetismo
• Spintronica

D: Quando hai scoperto per la prima volta che il tuo percorso professionale si concentrava sulle nanotecnologie?
Cahay: Dopo essermi iscritto alla Purdue University come studente laureato nel 1983, ho trascorso l'estate del 1984 presso l'Amoco Research Center di Naperville-Illinois svolgendo ricerche sul calcolo della corrente attraverso dispositivi su scala nanometrica (dispositivi di tunneling risonante e superreticoli). Nell'autunno del 1984 mi unii al gruppo del professor Datta alla Purdue per continuare a lavorare su questo entusiasmante campo di ricerca. Il titolo della mia tesi di dottorato è "Analisi quantomeccanica di dispositivi ultra-piccoli". Da allora ho svolto ricerche nel campo della nanoelettronica.   

D: A quali attuali applicazioni della nanotecnologia stai lavorando?  
Cahay: Negli ultimi dieci anni ho lavorato nel campo della spintronica, modellando vari tipi di transistor ad effetto di campo basati sullo spin. Ho anche svolto alcuni lavori sperimentali nella spintronica organica. L'altra mia area di ricerca riguarda le misurazioni e la modellazione teorica dell'emissione di campo da fibre e array di nanotubi di carbonio.    

D: Qual è la cosa più gratificante nel lavorare con la nanotecnologia?
Cahay: La nanoscienza e la nanotecnologia sono campi in rapida espansione. Continuo a ricordare ai miei studenti che questo è il Nanomillenium. Dopo quasi 36 anni di ricerca, sono ancora entusiasta della nanotecnologia perché quasi ogni settimana vengono scoperti nuovi concetti e aree di ricerca. Rimanere competitivi è piuttosto impegnativo e si ottiene meglio formando team che lavorino in nuove aree in cui può essere necessaria una combinazione di conoscenze nella scienza dei materiali, fisica, ingegneria, chimica e talvolta biologia. La collaborazione sembra essere l’approccio sopravvissuto al giorno d’oggi.    

D: C'è un esempio che puoi fornire che mostra come qualcosa su cui hai lavorato ha avuto un impatto positivo sul mondo?
Cahay: La mia tesi di dottorato riguardava la modellazione autoconsistente di dispositivi di tunneling risonanti. Alcuni dei risultati sono stati pubblicati in un articolo intitolato “Importance of Space-Charge Effects in Resonant Tunneling Devices”, Appl. Fis. Lettere 50(10), pp.612-614 (1987). È stato citato più di 175 volte come uno dei primi calcoli quanto-meccanici autocoerenti delle caratteristiche di corrente-tensione di dispositivi su scala nanometrica tenendo conto degli effetti di carica spaziale. Questo documento ha gettato le basi per un noto approccio di modellazione popolarmente noto come SEQUAL (Semiconductor Electrostatics by QUANTUM-mechanical AnaLysis) utilizzato dalle università e dalle industrie di tutto il mondo. Ora è disponibile gratuitamente sul sito web nanohub della Purdue University, sponsorizzato dalla NSF, ed è stato scaricato innumerevoli volte da ricercatori di tutto il mondo.    

Q: Quale pensi sia l’impatto più grande che la nanotecnologia abbia già avuto sul mondo?  
Cahay: Uno dei primi successi nel campo delle nanotecnologie è derivato dalla scoperta del fenomeno della magnetoresistenza gigante (GMR) osservato in strutture a film sottile composte da strati conduttivi ferromagnetici e non magnetici alternati alla fine degli anni '80 da due gruppi indipendenti guidati da Albert Fert in Francia e Peter Grünberg in Germania. Per questa importante scoperta hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica 2007. Le applicazioni GMR includono, tra gli altri, lo sviluppo di sensori di campo magnetico utilizzati per leggere dati in unità disco rigido, biosensori e sistemi microelettromeccanici (MEMS). Le strutture multistrato GMR vengono utilizzate anche nella memoria ad accesso casuale magnetoresistiva (MRAM) come celle che memorizzano un bit di informazione. Si tratta di industrie da miliardi di dollari in rapida espansione che influiscono sulla nostra vita quotidiana.    

D: Negli ultimi dieci anni, la nanotecnologia è uscita dai laboratori e sta avendo un impatto reale nella società. Hai lavorato a iniziative che hanno contribuito a commercializzare la nanotecnologia e hanno portato a nuovi prodotti o processi? Si prega di fornire un esempio.
Cahay: Negli ultimi anni ho studiato le caratteristiche di emissione di campo delle fibre di nanotubi di carbonio che costituiscono un nuovo tipo di catodi freddi con applicazioni in microscopia elettronica, litografia a fascio di elettroni, nuove sorgenti di raggi X, dispositivi elettronici sotto vuoto, sorgenti terahertz e alta -tubi di potenza a microonde. Recentemente, ho co-curato un libro su “Materiali in superfibra nanotubi – Produzione e commercializzazione“ con M. Schulz, V. Shanov, J. Yin dell'Università di Cincinnati, pubblicato da Elsevier nel 2018.

D: In quali aree prevede che la futura commercializzazione delle nanotecnologie avrà il maggiore impatto positivo sul mondo?
Cahay: Vi è un crescente interesse per nuovi tipi di sensori basati su nanoparticelle attaccate o incorporate in altri campioni di piccole dimensioni o sfusi. Questi sensori sono in grado di rilevare quantità minime di particelle e dovrebbero ricevere un'ampia varietà di applicazioni elettriche, meccaniche, chimiche e biologiche.

D: La tua formazione universitaria ti ha aiutato nel tuo lavoro sulle nanotecnologie?
Cahay: Il mio dottorato di ricerca consisteva nella modellazione del trasporto degli elettroni in dispositivi su scala nanometrica. Da allora, ho applicato questa formazione alla modellazione dei buchi attraverso la giunzione emettitore-base di transitori bipolari a eterogiunzione, all'analisi di transistor ad effetto di campo superconduttori, all'emissione di campo da varie nanostrutture, inclusi i nanotubi di carbonio e, più recentemente, allo studio di trasporto di spin in varie nanostrutture.   

D: Hai un mentore? Lo hai fatto durante gli anni del college?
Cahay: Il mio mentore alla Purdue è stato il professor Datta con il quale ho conversato da allora su varie aree della nano ricerca perché apprezzo la sua vasta conoscenza, la sua intuizione e profonda comprensione del trasporto dei portatori su scala nanometrica. Nel corso degli anni, il professor Punit Boolchand dell'Università di Cincinnati ha contribuito a sviluppare un programma sperimentale nel campo della nanoelettronica sotto vuoto. Traggo beneficio anche dall'esperienza di Walter Friz che mi ha fatto conoscere i monosolfuri delle terre rare per applicazioni a catodo freddo. Ultimamente ho tratto beneficio dall'interazione con il compianto George Purdy e con Dennis Morris nel Regno Unito sull'uso dei quaternioni e sul loro utilizzo nella meccanica quantistica. 

D: Se dovessi rifare tutto da capo, ti concentreresti ancora sulle applicazioni delle nanotecnologie?
Cahay: Ricordo quanto fossi affascinato dall'apprendimento della meccanica quantistica per la prima volta quando ero studente universitario in Fisica presso l'Università di Liegi, in Belgio. In un mese avevo letto gran parte del primo volume del libro di testo di meccanica quantistica di Cohen-Tannoudji, trascurando la maggior parte delle altre lezioni. Ho mantenuto lo stesso entusiasmo nel corso degli anni riguardo alle nanotecnologie. Imparare a conoscere una nuova area è spesso una battaglia ardua a causa della grande quantità di letture necessarie prima di avere nuove idee ma, una volta superato l’ostacolo e ottenuto il finanziamento in un’area specifica, il lavoro è molto entusiasmante e gratificante.  

D: Se uno studente delle scuole superiori o universitari fosse interessato alle nanotecnologie, che consiglio gli daresti per prepararsi ad assumere quei ruoli?  
Cahay: Molti nuovi sviluppi delle nanotecnologie stanno abbracciando sempre più aree diverse come la matematica, la fisica, l'ingegneria, la scienza dei materiali, la chimica e persino la biologia. Suggerirei agli studenti delle scuole superiori di scegliere il proprio curriculum di conseguenza per comprendere il maggior numero possibile di queste aree. Consiglio vivamente di partecipare alle fiere scientifiche regionali e nazionali delle scuole superiori per ampliare le loro opinioni sulla nanotecnologia. Anche molti professori universitari cercano l'aiuto degli studenti delle scuole superiori per svolgere ricerche durante l'estate. È un'esperienza molto preziosa lavorare in un vero ambiente di ricerca ed essere esposti in tenera età ai vari aspetti delle strutture all'avanguardia della nanoricerca. L'impegno profuso sin dalla tenera età dovrebbe aiutare gli studenti a ottenere l'accettazione in alcune delle migliori scuole del paese e avviarli verso una carriera di successo e, si spera, pionieristica nel campo delle nanotecnologie.