Proposta per l’estrazione di radiazione coerente nel Terahertz da SPARC e del suo uso per diagnostica del fascio ed esperimenti di fisica di base Coordinatore nazionale: S. Lupi (Roma 1) Sezioni proponenti: Roma 1 (S. Lupi, M. Mattioli, M. Serluca), LNF (P. Calvani, M Boscolo, M. Castellano, M. Cestelli Guidi, E. Chiadroni, G. Di Pirro, M. Ferrario, D. Nicoletti, A. Nucara, L. Palumbo, R. Sorchetti, C. Vaccarezza) Milano (A. R. Rossi, V. Petrillo, L. Serafini) Roma 2 (A. Cianchi, B. Marchetti, L. Catani)

Il gruppo IRS (InfraRed Spectroscopy) della Sapienza Il gruppo (membri permanenti: P. Calvani, S. Lupi, P. Maselli, A. Nucara) usa dal 1984 la radiazione infrarossa, sia da sorgenti convenzionali che di sincrotrone, per ricerche di ottica e di fisica dello stato solido. Questa attività ha prodotto oltre 150 pubblicazioni su riviste internazionali e oltre 1500 citazioni. Nel campo delle sorgenti non convenzionali, il gruppo: Ha coordinato il network europeo “Development of Infrared Synchrotron Radiation (IRSR)”. Ha collaborato con i LNF per realizzare la linea IRSR “SINBAD” su DAFNE, dove mantiene una stazione sperimentale. Ha realizzato la linea IRSR “SISSI” su ELETTRA. E’ utente privilegiato della IRSR coerente a BESSY (Berlino) (50% del beamtime). Collabora con il gruppo SPARC sul progetto

La "Terahertz gap" E' la zona spettrale tra 0.1 THz e 3 THz tra le microonde e il lontano IR, dove tradizionalmente non erano disponibili sorgenti intense.

La radiazione coerente nel THz Radiazione di alta intensità e lunghezza d'onda  è prodotta spontaneamente da un pacchetto di N elettroni quando la sua lunghezza l p <  Gli elettroni emettono in fase e l'intensità è Questa condizione si può realizzare nel THz: l p ≈ ≈ 1 mm (  1 ps)

Estrazione e uso della radiazione La radiazione coerente si può estrarre da una sottile lamina metallica posta a 45° sul cammino del pacchetto. Questa emetteTHz polarizzata radialmente entro un cono di apertura ΔΩ ≈1/γ (Coherent Transient Radiation, CSR). Poiché la forma spettrale è la trasformata di Fourier dell'impulso, lo spettro del THz emesso contiene le informazioni sulla forma e la durata longitudinale del pacchetto di elettroni. Quindi l'emissione nel Terahertz è un potente strumento di diagnostica del fascio. Inoltre rappresenta una sorgente preziosa per la caratterizzazione di nuovi detectors, filtri e devices ottici in questa regione spettrale Permette di effettuare misure spettroscoche di bassa energia risolta in tempo su solidi e campioni biologici Combinata con la linea SINBAD di DAFNE-LUCE, che produce radiazione THz quasi-continua di alta brillanza, la beamline su SPARC farà di Frascati una facility completa e probabilmente unica per la spettroscopia nell’infrarosso lontano.

THz Science Superconductivity Energy gap Symmetry of the order parameter Direct determination of the superfluid density Dynamics of Cooper pairs Low-dimensional materials Dimensionality crossover Non-Fermi liquid normal states Broken symmetry ground states Coherent Phase Transitions Polarons Structural Phase Transitions Magnetic sub-ps Dynamics Condensed Matter Physics Life Sciences Macromolecules conformation Secondary and tertiary structure Coherent dynamic development Imaging 3D tomography of dry tissues Near-field sub-wavelenght spatial resolution Polar liquids Hydrogen bond Van der Waals interactions Acoustic-Optic phonon mixing in water Solutions Static and dynamic interactions between solvated ions and solvent Physical and Analytical Chemistry New Technologies THz technologies Array THz detectors Metamaterials Medical diagnostic Skin cancer detection Industrial production Material inspection Production line monitoring Defense industry/Homeland security Detection of explosives and biohazards

Confronto con le altre sorgenti THz

Caso scientifico: Misura del tempo di vita di un livello eccitato in quantum wells Ge/Si-Ge finalizzata a realizzare un laser a cascata quantica Si/Ge nel THz A. Nucara, S. Lupi, P. Calvani (La Sapienza, Roma) M. Ortolani (CNR ‐ IFN, Roma), F. Evangelisti, M. De Seta (Universita` Roma III) Targhetta

La futura beamline

Richiesta finanziaria Missioni nazionali (4000 euro/anno) euro Missioni internazionali (10000 euro/anno) euro Consumo (liquidi criogenici, gas puri, accessori ottici e per il vuoto, elettronica per la remotizzazione): (20000 euro/anno) euro Inventariabile: Rivelatore elettro-otticoper impulsi THz20000 euro Finestra di diamante wedged euro Interferometro di Michelson(2° anno)53000 euro Attrezzature: Componenti per esperimenti pump-probe (specchi, beam splitter dicroico, linea di ritardo) euro Componenti per linea di trasferimento in alto vuoto della radiazione a LIFE (3° anno) euro Totale euro

Appendice 1: altre sorgenti THz Terahertz Lasers Quantum Cascade Lasers (>1 THz); Si- and Ge-lasers (>1.5 THz); Gas-based lasers (emission only at some given frequencies); Sources based on electron bunch acceleration Narrow Band Stanford (>3 THz); Far-Infrared FELs: FELIX, FELBE; ENEA compact FEL; Far-IR FLASH (Hamburg); Backward-wave oscillators; Broad Band Laser Amplifiers: plasma and no linear crystals (no user facility), Coherent Synchrotron III Generation Machines FEL-based Broad Band Coherent THz Radiation Sources

Appendice 2: Figure di merito delle sorgenti THz Data from: Biedron et al 2007; Riemann 2007; A. Perucchi et al 2007

Coherent Transition THz Radiation (CDR/CTR) Transition Radiation occurs when an electron crosses the boundary between two different media Intensity is 0 on axis and peaked at  Polarization is radial