Nick Holonyak Jr. tiene in mano il primo LED rosso funzionante
Quando si parla di luci a LED, il pensiero corre subito agli schermi dei nostri smartphone o alle lampadine che promettono decenni di autonomia, ma pochi sanno che il padre della moderna optoelettronica è un italo-americano figlio di minatori, Nick Holonyak Jr., l'uomo che il 9 ottobre 1962 accese il primo diodo a emissione di luce visibile. Holonyak lavorava presso i laboratori della General Electric a Syracuse, nello stato di New York, e in un'epoca in cui i diodi erano soltanto rivelatori a infrarossi o raddrizzatori, ebbe il coraggio di annunciare che il suo dispositivo in arseniuro di gallio fosfuro (GaAsP) emetteva una luce rossa perfettamente percepibile dall'occhio umano. Quell'annuncio, dato con toni quasi profetici in una lettera all'Applied Physics Letters, dichiarava che la lampadina a incandescenza era destinata a diventare obsoleta, un'eresia che fece sorridere i colleghi ma che oggi è letteralmente sotto gli occhi di tutti. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO.
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La fisica della giunzione p-n in GaAsP e la nascita del LED rosso
Per comprendere cosa accadde in quel minuscolo cristallo semiconduttore bisogna immergersi nella fisica delle giunzioni p-n, che Holonyak conosceva come pochi al mondo grazie al dottorato conseguito all'Università dell'Illinois sotto la guida del leggendario John Bardeen, due volte premio Nobel. Un LED non è altro che un diodo in cui la ricombinazione di elettroni e lacune attraverso la banda proibita avviene in modo radiativo, cioè con emissione di fotoni. Nei materiali a gap indiretto come il silicio o il germanio, quell'energia si disperde quasi tutta in calore; Holonyak intuì che soltanto i semiconduttori composti a gap diretto, come l'arseniuro di gallio (GaAs) drogato con fosforo, potevano convertire una percentuale apprezzabile di corrente in luce visibile. La sfida era titanica: il GaAsP tende a sviluppare difetti cristallini durante la crescita, creando centri di ricombinazione non radiativi che uccidevano l'efficienza. Holonyak e il suo team costruirono un reattore epitassiale artigianale per depositare strati di GaAsP su substrati di GaAs, controllando la concentrazione di fosforo al 40% per spostare il picco di emissione intorno ai 650 nanometri, nel rosso profondo. Il dispositivo, grande come un granello di pepe, produceva appena pochi millilumen, ma era sufficiente per convincere la General Electric a brevettare il “Semiconductor Radiant Diode” e a immaginare display monocromatici per la strumentazione militare e aerospaziale. Nel 1963 Holonyak dimostrò anche il primo laser a semiconduttore nel visibile, un'impresa che gli valse l'appellativo di “padre del diodo laser”, benchè la paternità del LED rosso resti la sua firma più popolare. Per tutti gli anni Sessanta i LED rimasero costosissimi, utilizzati soltanto nei pannelli di controllo dei computer IBM o negli indicatori degli amplificatori hi-fi, ma la strada era segnata: il LED rosso fu il mattone su cui si costruirono i LED gialli, verdi e infine i blu di Shuji Nakamura, premio Nobel 2014, che completarono la tavolozza per la luce bianca. La lezione fisica di Holonyak, ossia che l'ingegneria della banda proibita tramite leghe ternarie e quaternarie permette di fabbricare emettitori su misura, è oggi il cuore della fotonica integrata e dei microdisplay per realtà aumentata.
Dalle miniere dell'Illinois all'impatto globale della rivoluzione LED
La biografia di Nick Holonyak Jr. è un formidabile intreccio tra umiltà, caparbietà e visione industriale. Nato a Zeigler, Illinois, nel 1928 da genitori immigrati dall'Ucraina, Holonyak crebbe in una comunità di minatori di carbone e fu il primo della sua famiglia a frequentare l'università, lavorando come ferroviere per pagarsi gli studi. Dopo il dottorato con Bardeen, approdò ai Bell Labs e poi alla General Electric, dove condusse le ricerche sui LED in un clima di scetticismo quasi assoluto: molti fisici sostenevano che la luce visibile dai semiconduttori fosse fisicamente impossibile per via delle perdite termiche. Holonyak replicava mostrando una slide con un grafico della resistenza differenziale negativa, spiegando che in una giunzione drogata in modo asimmetrico l'iniezione di portatori minoritari poteva essere così efficiente da rendere visibile l'emissione. Dopo il successo del LED rosso, Holonyak tornò all'Università dell'Illinois come professore, dove formò generazioni di ingegneri che avrebbero fondato aziende come Cree e LumiLeds, trasformando la piccola invenzione in un mercato globale da decine di miliardi di dollari. Nel corso della sua carriera accumulò più di 40 brevetti, tra cui il transistor a eterogiunzione e il laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL), quest'ultimo oggi impiegato nei sensori di prossimità degli smartphone e nelle comunicazioni ottiche dei datacenter. Il suo carattere schietto e la sua onestà intellettuale gli fecero rifiutare incarichi dirigenziali pur di restare in laboratorio; quando venne insignito della Medaglia Nazionale della Tecnologia nel 2002, raccontò di aver sempre cercato di “accendere la luce migliore che potessi, perchè la luce è la cosa più bella della fisica”. Il LED rosso di Holonyak non solo ha dato il via alla sostituzione delle lampadine a incandescenza, ma ha abilitato tecnologie che vanno dai telecomandi a infrarossi ai fari per automobili, dai semafori ai pannelli giganti degli stadi, riducendo il consumo elettrico per l'illuminazione fino al 75% e contribuendo in modo tangibile al contenimento delle emissioni globali di CO2. Se oggi possiamo leggere un display sotto il sole o illuminare una stanza con pochi watt, lo dobbiamo a quel diodino rosso che molti presero per un giocattolo.
Holonyak non aveva soltanto inventato un componente elettronico: aveva regalato al mondo un nuovo alfabeto di luce, dimostrando che un'idea testarda, nutrita dallo studio profondo dei semiconduttori, può letteralmente cambiare il paesaggio visivo della nostra civiltà.
