HUMOR Heisenberg Uncertainty Measured with Opto-mechanical Resonator

‘Phenomenological quantum gravity’  ‘osservazione’: non si può determinare una posizione con precisione superiore alla lunghezza di Planck L P =  hG/c 3 = m  Si introducono relazioni di Heisenberg generalizzate  Si ricavano commutatori generalizzati tra p e q

PROPOSTA: misura su un sistema quantistico macroscopico M p = 22  g

XmXm PmPm

Also required: Q > 10 6 T < 100mK

 Validità dei modelli fenomenologici di ‘quantum gravity’?  La descrizione nell’ambito dei modelli di variabili macroscopiche (sistemi a più particelle) è quasi completamente mancante  Un oscillatore meccanico macroscopico si comporta effettivamente come sistema quantistico (recenti dimostrazioni sperimentali)  L’indeterminazione tra misure di p e q in un oscillatore è strettamente legata al problema quantistico della misura (v. Braginsky, Caves, etc.)

CSN V 2008 – 2010 SQUALO Raggiungimento dello Standard QUAntum Limit con mezzi Ottici

Also required: Q > 10 6 T < 100mK 6 x 10 4 WR kg Hz 1,064 nm (10 mW 200 ns) Q = 2.6 x 10 6 WR T = 5 K

Nuovi limiti ???

Analisi più dettagliata Fase classica: Costante di accoppiamento: Fase aggiuntiva: Per il commutatore Pikovski et al. calcola: Sensibilità di una misura interferometrica di fase:

Aspetti problematici: 1 SOLUZIONI: 1.Inizio:  /   10 % 2.Fit vs N p : Cercare schemi diversi, dove  si somma ad un risultato classico nullo E’ una fase aggiuntiva  non conta la precisione, ma l’accuratezza

Aspetti problematici: 2 La cavità deve rimanere risonante dopo un impulso 1.  < 1 rad (corrispondente allo spostamento di una larghezza di riga) 2. si sposta la freq. della radiazione tra interazioni successive   < T/  (convengono quindi impulsi corti e cavità corta) k: larghezza di cavità

Aspetti delicati  Pre-stabilizzazione tra laser e cavità  Fase accumulata dall’impulso nel cammino esterno alla cavità  Rumore termico e acustico  Perdite ottiche  Durata finita dell’impulso  Altri modi dell’oscillatore

HUMOR GRUPPI COINVOLTI  Trento (INFN PD; coordinatore Enrico Serra): - progettazione e realizzazione di micro-oscillatori  Firenze (coordinatore Francesco Marin): - esperimento ‘principale’  Camerino (INFN PG; coordinatore David Vitali): - modellizzazione - esperimento ‘pilota’ (R&D e esplorazione diversa gamma di parametri)

THE PG-CAMERINO SETUP 15 We adopt the “membrane-in-the-middle” setup High-Q Membrane vibrational modes excited by radiation pressure (Yale, Caltech, Camerino)

Parametri sperimentali

Perché l’esperimento pilota?  Massa ridotta (4 ordini di grandezza)  - potenza più bassa - test su diverse scale di parametri ( > M P e << M P ) - possibilità di raffreddare l’oscillatore nello stato fondamentale  Possibilità di variare l’accoppiamento opto-meccanico (anche di cambiarne il segno)  - schemi diversi (con fase classica nulla)

18 Splitting of degenerate modes and avoided crossings linear combinations of nearby TEM mn modes become the new cavity modes:  (q) is changed significantly: tunable optomechanical interaction Experimental cavity frequencies with 0.21 mrad misalignment (M. Karuza et al., arXiv: v1 [quant-ph]) Membrane misalignment (and shift from the waist) couples the TEM mn cavity modes via scattering Crossing between the TEM 00 singlet and the TEM 20 triplet

FI NomeContrattoQualificaAff.% 1 Cataliotti Francesco AssociatoProf. AssociatoCSN V50 C C2 Marin Francesco AssociatoProf. AssociatoCSN II70 3 Marino Francesco AssociatoRicercatoreCSN II50 Numero Totale Ricercatori3 FTE: 1.7 PG (Camerino) NomeContrattoQualificaAff.% 1 Biancofiore Ciro AssociatoDottorandoCSN II80 2 Di Giuseppe Giovanni AssociatoRicercatoreCSN II60 3 Karuza Marin AssociatoBorsista Post doct.CSN V20 C4C4 Vitali David AssociatoProf. AssociatoCSN II70 Numero Totale Ricercatori4 FTE: 2.3 PD (Trento) NomeContrattoQualificaAff.% 1 Bonaldi Michele AssociatoPrimo RicercatoreCSN II30 2 Pontin Antonio AssociatoDottorandoCSN II100 3 Prodi Giovanni Andrea AssociatoProf. AssociatoCSN II20 C4C4 Serra Enrico AssociatoIngegnereCSN II70 Numero Totale Ricercatori4 FTE: 2.2

Richieste finanziarie 2013 Strut tura A carico dell'I.N.F.N. A caric o di altri enti internoesteroconsumo trasp orti manut enzio ne inventario licenz e-SW appar ati spservi zi TOTALI FI PG TN Totali Mod. EC/EN 4(a cura del responsabile nazionale)

Richieste finanziarie 2013 Strut tura A carico dell'I.N.F.N. A caric o di altri enti internoesteroconsumo trasp orti manut enzio ne inventario licenz e-SW appar ati spservi zi TOTALI FI PG TN Totali Mod. EC/EN 4(a cura del responsabile nazionale)

PERIODOATTIVITA' PREVISTA primo anno Implementazione degli apparati a FI e Camerino (nel secondo caso, anche realizzazione di una nuova cavità ottica corta). Misure pilota a Firenze con oscillatori già esistenti. Progettazione e realizzazione di una serie di micro-oscillatori mirata all'esperimento. secondo anno Caratterizzazione dei nuovi oscillatori. Prima serie di misure significative a Firenze e a Camerino. Valutazione dei risultati. Misure con parametri più spinti. terzo anno A seconda dei risultati precedenti: a) realizzazione di un diverso schema sperimentale b) misure con laser Q-switched c) misure su sistema non- classico

Piano temporale 2013 Descrizione Data completamento Modellizzazione completa e realistica dell'esperimento Progettazione FEM di micro-oscillatori finalizzati all'esperimento Implementazione dello schema di misura nell'apparato di FI Realizzazione di una cavità corta nell'apparato di Camerino Misura pilota a FI con oscillatori già esistenti Realizzazione di micro-oscillatori finalizzati all'esperimento e di membrane circolari Caratterizzazione dei nuovi oscillatori

FI setup FI setup

FI Mechanical characterization FI Mechanical characterization

FI Optical characterization FI Optical characterization