Herbert Kroemer: Il fisico che progettò dispositivi impossibili

Nel 1963, lavorando presso la Varian Associates a Palo Alto, Herbert Kroemer propose un laser fatto di strati sovrapposti di diversi semiconduttori. Nessuno riusciva a costruirlo. Le tecniche di crescita dei cristalli necessarie non esistevano e non sarebbero esistite per anni. Lo propose comunque. Sei decenni dopo, il laser a doppia eterostruttura è la sorgente luminosa all'interno delle reti in fibra ottica, dei lettori CD e, come ha detto il suo collega della UCSB John Bowers, il dispositivo che "ha abilitato Internet, trasformando il mondo".

Da Weimar a Gottinga

È nato il 25 agosto 1928 a Weimar, in una famiglia senza alcuna tradizione accademica: suo padre era un impiegato statale, sua madre una casalinga e nessuno dei due aveva finito la scuola superiore. La Germania è crollata durante la sua adolescenza, ed egli ne è emerso verso la fisica. All'Università di Gottinga ha conseguito un Diplom nel 1951 e un dottorato in fisica teorica nel 1952, scrivendo una tesi sugli effetti degli elettroni caldi nei transistor — un argomento che aveva solo cinque anni quando lo scelse, essendo il transistor stesso stato annunciato nel 1947. È stato il primo segno di un'abitudine durata tutta la vita: legarsi a tecnologie prima ancora che si fossero consolidate.

Un decennio irrequieto nell'industria

I venti e i trent'anni di Kroemer sono stati trascorsi spostandosi tra laboratori industriali in due continenti, un modello che sembra dispersivo finché non si nota che ha continuato a lavorare sulla stessa idea. Ha iniziato nel 1952 presso il laboratorio di ricerca sulle telecomunicazioni del Servizio Postale Tedesco a Darmstadt. A metà degli anni '50 è passato ai laboratori RCA a Princeton, nel New Jersey. Dal 1957 al 1959 è stato al laboratorio di ricerca Philips ad Amburgo. Nel 1959 si è trasferito alla Varian Associates a Palo Alto ed è rimasto lì per tutto il decennio che ha prodotto il suo lavoro più importante.

Lungo la strada ha inventato il transistor a deriva, un dispositivo che utilizzava un profilo di impurità graduato per spingere i portatori attraverso la base più velocemente di quanto consentisse la sola diffusione. È stato l'inizio di un'idea che avrebbe dedicato una carriera a elaborare: che si potesse progettare il paesaggio interno di un semiconduttore per far comportare gli elettroni in modi che la natura non aveva previsto.

Il transistor che necessitava di due materiali

Alla RCA, Kroemer ha elaborato il concetto di transistor bipolare a eterostruttura. I dispositivi a semiconduttore convenzionali sono costruiti da un singolo materiale — silicio, drogato in modo diverso in regioni diverse. La proposta di Kroemer consisteva nell'unire due semiconduttori diversi, in modo che il cambiamento brusco nella banda proibita all'interfaccia agisse esso stesso come una forza sui portatori, un campo quasi-elettrico senza necessità di tensione esterna. A metà degli anni '50 ha identificato i vantaggi prestazionali specifici che ciò avrebbe offerto. L'argomento era teoricamente pulito e praticamente prematuro; la scienza dei materiali necessaria per creare giunzioni atomicamente nitide tra cristalli dissimili era lontana decenni.

Un laser che nessuno poteva costruire

La proposta della doppia eterostruttura del 1963 era la stessa logica applicata alla luce. Confinare sia i portatori che i fotoni in un sottile strato attivo tra due strati di rivestimento a banda proibita più ampia, sosteneva Kroemer, e si ottiene un laser che può funzionare continuamente a temperatura ambiente anziché in impulsi criogenici. È stato il principio di progettazione che ha reso il laser a semiconduttore un oggetto utilizzabile piuttosto che una curiosità di laboratorio. Zhores Alferov, lavorando indipendentemente a Leningrado, ha perseguito lo stesso territorio; nel 2000 i due uomini hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisica "per lo sviluppo di eterostrutture a semiconduttore utilizzate nell'optoelettronica e nell'elettronica ad alta velocità".

Nel 1964 Kroemer ha pubblicato la prima spiegazione corretta dell'effetto Gunn, il meccanismo alla base delle oscillazioni elettriche ad alta frequenza in alcuni semiconduttori — un altro caso di arrivo alla fisica prima che il campo avesse concordato sulla questione.

Santa Barbara e la scommessa sui composti

È entrato nel mondo accademico nel 1968 come professore di ingegneria elettrica all'Università del Colorado a Boulder, e nel 1976 si è trasferito all'Università della California, Santa Barbara, dove ha ricoperto la cattedra Donald W. Whittier in Ingegneria Elettrica con una nomina congiunta in Scienza dei Materiali. Lì ha fatto una scommessa istituzionale tanto contraria quanto le sue scommesse scientifiche: ha convinto un dipartimento a investire in semiconduttori composti — arseniuro di gallio e i suoi parenti — piuttosto che nel silicio che dominava tutto. È stato il primo membro di quello che è diventato un gruppo leader a livello mondiale. È diventato anche uno sperimentatore in tarda età, pionieristico nell'epitassia a fascio molecolare alla UCSB e applicandola a sistemi di materiali che nessuno aveva provato, costruendo finalmente le interfacce atomicamente precise che la sua teoria degli anni '50 aveva ipotizzato. Si è ritirato nel 2012.

Insegnante, autore di libri di testo, gentiluomo

Kroemer ha scritto due libri di testo di insolita chiarezza: Thermal Physics, la cui seconda edizione ha prodotto con Charles Kittel nel 1980, e Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics. I colleghi ricordavano un uomo con un acuto senso dell'umorismo che parlava di fisica con un visitatore della scuola elementare tanto facilmente quanto con uno studente laureato, e che poneva domande difficili nei seminari senza mai far sembrare la risposta un verdetto. Il preside Umesh Mishra lo ha paragonato a un guru nel senso indiano — qualcuno che trasmette "morale, etica, leadership, grazia e generosità" insieme al contenuto tecnico. Shuji Nakamura ha attribuito al concetto di eterostruttura di Kroemer la possibilità della sua invenzione del LED blu. Kroemer è diventato cittadino statunitense naturalizzato nel 2003 ed era un ateo schietto: la religione, diceva, era "solo un desiderio".

Perché Herbert è chiamato un genio

La facoltà distintiva qui è la fisica dei dispositivi anticipatoria: la capacità di ragionare correttamente sul comportamento di una struttura che non può ancora essere fabbricata, e di fidarsi del ragionamento per vent'anni mentre tutti gli altri aspettano prove. Kroemer ha descritto la disposizione lui stesso, senza falsa modestia e senza pretendere genialità: "Fin dall'inizio, mi sono sempre interessato a cose che erano diverse generazioni avanti rispetto a ciò che le persone potevano fare. I piccoli passi non mi interessavano davvero. Mi interessavano i grandi passi". Il suo consiglio ai colleghi più giovani ne derivava — lavora su ciò che ti interessa, ignora le applicazioni, sii opportunista.

Ciò che il record supporta effettivamente è il giudizio piuttosto che la pura potenza di elaborazione. Tre volte — il transistor a eterogiunzione, il laser a doppia eterostruttura, l'effetto Gunn — ha identificato il principio fisico corretto anni prima della comunità e prima della tecnologia. Questo è un tasso di successo raro, ed è il motivo per cui il comitato Nobel, la giuria della IEEE Medal of Honor nel 2002 e lo stato tedesco con la sua Gran Croce dell'Ordine al Merito hanno infine concordato.

Il contro-caso è onesto e vale la pena dichiararlo. Kroemer non ha costruito il laser per cui è famoso; il gruppo di Alferov e i laboratori industriali hanno fatto la crescita dei cristalli che lo ha reso reale, e Alferov ha condiviso il premio per una buona ragione. Le idee che non possono essere testate per due decenni sono economiche da generare e costose da convalidare, e il record di Kroemer include proposte che contavano solo perché altri avevano la pazienza di realizzarle. I colleghi hanno fatto ricorso più spesso a "gentiluomo" e "guru" che a "genio". Il verdetto equo è che aveva un'intuizione fisica insolitamente affidabile e il coraggio di pubblicarla presto.

Eredità

Ogni collegamento in fibra ottica, amplificatore di potenza per telefoni cellulari, trasmettitore satellitare e lampadina LED funziona secondo il principio che Kroemer ha sostenuto quando nessuno poteva implementarlo: che progettare il paesaggio della banda proibita all'interno di un dispositivo è più potente che progettare il dispositivo attorno a un singolo materiale. È morto l'8 marzo 2024 a Santa Barbara, all'età di 95 anni, avendo vissuto abbastanza a lungo da vedere un mondo costruito a partire dai suoi sandwich.