1 Esperimento MIR: misura dell’effetto Casimir Dinamico Elettrodinamica Quantistica del Vuoto: un breve sommario Caratterizzazione del semiconduttore con apparato THz a LNL Prime misure Misure in criostato ad azoto liquido e simulazioni Studio dei fotoni termici mediante amplificazione parametrica Conclusioni e prospettive RICHIESTE E PROGRAMMI 2013

Manifestazioni a livello macroscopico: - birifrangenza magnetica del vuoto - effetto Casimir:il vuoto in presenza di condizioni al contorno stazionarie - Casimir Dinamico: generazione di particelle dal vuoto Quadro di riferimento Elettrodinamica Quantistica del Vuoto Ben verificata a livello microscopico: - Lamb shift - momento magnetico anomalo Un problema aperto: costante cosmologica vs. teoria dei campi 2

Effetti dissipativi del Vuoto Specchio in movimento nel vuoto –Moto uniforme: invarianza di Lorentz –Moto uniformemente accelerato: Hawking/Unruh –Accelerazione non uniforme: dissipazione con produzione di fotoni reali! Casimir Dinamico alias radiazione di Schwinger N ph ~  T  v/c  2 Moore GT, 1970 Fulling and Davies, 1976 Schwinger,

Un impulso laser cambia rapidamente l’indice di rifrazione di un semiconduttore: equivalenza tra specchio fisico e specchio efficace Uso di un semiconduttore in cavità risonante: Amplificazione parametrica Trasduttore in regime quantistico a basso rumore e alto a guadagno Strategie sperimentali 4

Amplificatore Parametrico:  = 2f r Nel caso di un’altalena si ottiene amplificazione parametrica modulando la lunghezza del filo Crescita esponenziale (governata dal fattore di merito Q dell’oscillatore) Se la fase non è corretta  smorzamento Un moto oscillatorio può essere amplificato modificando un parametro del sistema a frequenza doppia rispetto a quella propria Caso elettrico (cavità risonante). Modulazione della capacità: C(t) = C 0 + C 1 cos(2  0 t +  ) 5

 = 2f r TE 101, 101 = c/2 (b -2 + L -2 )  L/L   / Campo elettricoCampo magnetico Amplificatore parametrico con cavità risonante 6

7 Tecnica sperimentale Una piastrina di semiconduttore è posto su una faccia di una cavità superconduttrice di niobio. La frequenza di risonanza è r. Usando un laser modulato in ampiezza (alla frequenza f) il semiconduttore commuta da trasparente a riflettente, producendo così un moto efficace quando f = 2 r fotoni saranno amplificati dal vuoto e potranno essere rivelati mediante l’antenna. Impulso singolo P las ~ 10  J Numero impulsi n ~ 2000

8 Schema sperimentale di principio Il set-up è costituito da Cavità risonante e sistema criogenico: OK Catena di rivelazione elettronica: OK Laser: OK Semiconduttore: - caratterizzazione al THz - irraggiamento

9 Cavità risonante con semiconduttore

Caratterizzazione del Semiconduttore: Optical pump – THz probe 10 Allo scopo di velocizzare la procedura di caratterizzazione dei semiconduttori, abbiamo sviluppato in casa un sistema di misura del tempo di ricombinazione. (Fino ad ora usato il laboratorio del Prof. Krotkus a Vilnius).

Semiconduttore: irraggiamenti 11 Richieste: alta mobilità (≥ 1 m 2 /V s) e tempo di ricombinazione elettrone-lacuna 7–20 ps (1) GaAs SI irraggiato con neutroni veloci (Italia, USA) abbandonata (2) GaAs SI irraggiato con ioni Au, Br (acceleratore Tandem a LNL) (3)GaAs SI irraggiato con protoni 1–5 MeV (acceleratore CN a LNL) Sviluppo del campione limitato dalla disponibilità degli acceleratori.

12 Misure di amplificazione parametrica Cavità risonante precaricata - Durante la scarica si manda laser - Misura dell’ampiezza alla fine dell’impulso laser

13 Misure di amplificazione parametrica - 2 Curve di guadagno vs (frequenza del laser/2 – frequenza cavità) 2010 – cavity tuning2011 – laser tuning

Simulazione esperimento: circuito RLC RLC circuit  unperturbed cavity RLC with variable capacitance  parametric excited cavity 14

15 Simulazione vs. Esperimento CAMBIARE CAMPIONE !!!

Studio della statistica dei fotoni termici 16 Da: Mark Fox, Quantum Optics, Oxford University Press 2006

Amplificatore parametrico con GaAs variCap T=300K Amplificazione esponenziale fino a saturazione 17

Calibrazione dell’amplificatore parametrico 18

Distribuzione singolo modo di Bose- Einstein dei fotoni di corpo nero Dati sperimentali vs. distribuzione attesa Sottomesso Fotoni termici in cavità 19

Stato Attuale 20 Laser su semiconduttore: amplificazione parametrica con G < 1 (tempo di ricombinazione non ottimale) Simulazioni: dissipazione in coincidenza con l’impulso laser e shift di frequenza insufficiente Completato set-up Optical pump – THz probe: prime misure di  e  Cavità con GaAs Varicap: amplificazione parametrica con G ≈ 10^8 Osservata distribuzione termica di singolo modo (super-Poissoniana di Bose-Einstein)

21 Piano di Lavoro OBBIETTIVO Studio Del Vuoto : Amplificatore Parametrico al Limite Quantistico 2006 – 2010 : Sviluppo Laser Unico al mondo Cavita’ superconduttrici a micronde ad Alto Q Ricevitore a bassisimo Rumore ( ~ 100 fotoni) Inizio studio Semiconduttore 2011 –2012 : Prime Misure con apparato completo e Semiconduttore Processi Amplificazione Parametrica in Sistemi analoghi 2013 : Ottimizzazione Amplificatore Parametrico Misure Spettro Termico Criogenico 2014 : Misure al Limite Quantistico Spesa 2013 e 2014 in linea con quella di quest’anno circa 90 Ke/anno

Personale e sezioni 22 SezioneRicercatorePercentuale LNLCatini R.100 Galeazzi G.0 Lombardi A.30 Ruoso G.50 PadovaBraggio C.100 Carugno G.60 Puglierin G.40 Raony De Souza Ribeiro D.100 Roopas K.S.100 PaviaAgnesi A.70 Carrà L.70 Pirzio F.70 Reali G.70 RomaMassa F.0 Zanello D.0 TriesteDella Valle F ricercatori 8.1 FTE totali + sabbatico Dodonov Padova

23 Richieste 2013: globale Milestones: Richiesta 25 K€ inventario: decaduta. Laser riparato (ma vecchio)

24 Irraggiamento e caratterizzazione di nuovi campioni Amplificazione parametrica con laser in cavità Fotoni termici a bassa temperatura con GaAs varicap Altre tecniche analoghe (diverse dagli svedesi)

Sistema laser F laser = GHz  t impulso = 10 ps E laser = mJ laser = 820 nm  t treno = 400ns (2000 impulsi) Stabilizzato in frequenza con feedback attivo Completata caratterizzazione con misura del profilo temporale dell’impulso FWHM ~ 10 ps 25

Cavità risonante 26 GEOMETRY AGEOMETRY B stationary frequency shift  f (MHz) Differenti diametri del naso

Come procedere? 27 - Errore di progettazione: la struttura com’è fatta ora probabilmente presenta dissipazioni elevate a causa della geometria doppia capacità Soluzione: produrre un plasma su tutto il volume del semiconduttore Il nostro obiettivo immediato è quindi la produzione e la caratterizzazione di un semiconduttore adatto allo scopo - uniformità di irraggiamento con ioni/protoni - lunghezza d’onda adeguata del laser -> Riduzione dello spessore del semiconduttore -> Aumentare la lunghezza d’onda del laser,

Altre attività svolte 28 Workshop a Padova: -Gruppo basato in Svezia asserisce di aver misurato DCE in guida d’onda (preprint ArXiV: )

Fit dei dati con modello Dodonov 29 Utilizzando il modello sviluppato da V. Dodonov si esegue un fit dei dati sperimentali. I parametri rilevanti sono: g – descrive l’amplificazione  – descrive assorbimento (del semiconduttore) Dal fit g =  =

Studio amplificazione parametrica (modello Dodonov) 30 L’andamento del campo nel punto di massima amplificazione è dato da: g – guadagno amplificatore  - dissipazioni n – numero di impulsi laser Fit dei dati reali: (g-  ) ~ -2E-4 Simulazione con  ’ =  / 2

Prospettive 31 CASO NEGATIVO (g-  ) rimane < 0 verificare se esiste motivo di Principio. CASO POSITIVO (g-  ) > 0 l’esperimento è possibile, bisogna ottimizzare l’apparato per ottenere il massimo guadagno: - geometria della cavità - forma impulso laser - ottimizzando la superficie illuminata, aumento il numero di impulsi laser a disposizione

Once a G>1 amplification of a classical field is observed, the system is in principle ready to detect the quantum effect varying the cavity temperature in the range mK < T < T c. Conclusions and perspectives The results of the parametric amplification of a pre-charged classical field are coherent with theoretical predictions. simulation 32 In this plasma mirror-approach we have learnt a lot on cavity parametric amplification, this experience is at the moment being used in the implementation of a couple of new more controllable approaches, one of which has proven to be very promising Limit of the current laser-induced mirror approach to the parametric amplification process. The connected dissipation process is not yet fully explained, and its understanding is still one of our experimental efforts.

Study of the thermal photons statistics Once a G>1 amplification of a classical field is observed, the system is in principle ready to detect the quantum effect varying the cavity temperature in the range 0.8 K < T < T c. Conclusions and perspectives The preliminary results of the parametric amplification of a classical field are coherent with theoretical predictions simulation 33