1 Esperimento MIR Situazione dello sviluppo dell’apparato Laser Cavità risonante Catena di rivelazione Semiconduttore RICHIESTE E PROGRAMMI 2009 Misura dell’effetto Casimir Dinamico

2 Tecnica sperimentale Una piastrina di semiconduttore (spessore ~ 1 mm) 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, così producendo un movimento efficace quando f = 2 r Fotoni verranno amplificati dal vuoto e potranno essere rivelati mediante l’antenna.... n = 1, 2, 3, 4,..., 10 3 P las = 10 nJ/100 ps  T = 100 ps T = 1  s Con questo set-up l’ampiezza del moto è grande, risultando quindi in una velocità effettiva elevata

3 Schema sperimentale Il set-up è diviso in Cavità risonante e sistema criogenico Catena di rivelazione elettronica Semiconduttore Laser

4 Ritardo nella realizzazione del laser Milestones: giugno 2008 Misura del fattore di amplificazione del sistema completo mediante cavità precaricata settembre 2008 Definizione della misura dell’effetto di Casimir dinamico Le caratteristiche necessarie per il laser non sono state ottenute. In particolare i problemi sono connessi alla stabilità in frequenza, alla massima energia disponibile e alla tunabilità. Al meglio noi vorremmo stabilità ~ qualche kHz (a 5 GHz) energia ~ mJ tunabilità ~ ± 10 MHz (a 5 GHz)

5 Laser a Legnaro (da Aprile 2008)

6 Laser - caratteristiche attuali Master oscillator Pulse picker Diode preamplifier Flash lamp final amplifier Frequenza di lavoro attuale: 4.83 GHz Tunabilità ± 1 MHz Pulse picker: ~ 2500 impulsi Diode preamplifier gain: 60 dB Final amplifier gain: > 20 dB Energia totale del treno di impulsi finale: ~ 40 mJ

7 Laser - stabilità in frequenza Appena montato a LNL la frequenza del laser aveva instabilità a breve termine dell’ordine di 40 kHz e drift di diversi MHz su poche ore. Attualmente l’instabilità a breve termine ~ 1-2 kHz. (rumore acustico e sismico ridotti) Rimangono i drift, dovuti presumibilmente a problemi termici. Esempio ottenuto con temperatura stabile al meglio di 0.1 °C Risultato ottenuto di notte

8 Laser e tempistica Miglioramenti da provare: Stabilità della frequenza (qualche kHz su 1 giorno): nuovo set-up monolitico per l’oscillatore principale migliore stabilizzazione in temperatura (Peltier + schermo termico) aggancio dell’oscillatore a sorgente stabile esterna Energia (120 mJ): ottimizzazione sezione dei fasci negli stadi ad alta potenza aggiunta stadio di preamplificazione a diodi (6 kEuro) Tuning (10 MHz): possibile inversione della logica -> tuning della cavità Questi miglioramenti sono essenziali per l’esecuzione della misura dell’amplificazione parametrica. Qualora per giugno 2009 non si raggiungessero, occorrerà ridefinire drasticamente i metodi dell’esperimento.

9 Laser Il laser che dobbiamo utilizzare non si trova in commercio e la sua realizzazione è un importante risultato di tecnologia (september 22, 2008)

10 Cavità superconduttrici Q value ~ Sono state provate cavità diverse per dimensioni e forma. Le cavità di forma più semplice (parallelepipeda) hanno dato valori di Q maggiori ( ), però presentano difficoltà di illuminazione del semiconduttore. La scelta infine è caduta su una geometria cilindrica rientrante. Cavità realizzata: Z 0 = 34 mm  1 = 21 mm  2 = 4 mm  10 mm L’illuminazione del semiconduttore diventa quasi banale Tuning della cavità con asta di zaffiro (da studiare) semiconduttore

11 Elettronica Caratterizzata completamente la catena di amplificazione con misure su cavità all’elio liquido.

12 Semiconduttore Due sono i parametri che appaiono criticamente nelle formule teoriche: Il tempo di ricombinazione  e la mobilità . Richieste:  ~ 20 ps,  ~ 0.7 m 2 / (V s) Abbiamo sviluppato una procedura per raggiungere questo obbiettivo, che consiste nell’irraggiare campioni di GaAs con neutroni veloci (Foulon et al, Journal Applied Physics 88, 3634 (2000)) Il reattore a neutroni veloci della Casaccia non è più disponibile. Si utilizza il TRIGA della Casaccia, che è a neutroni lenti. Quindi va di nuovo studiata la sistematica. La misura dei parametri  e  viene fatta presso i laboratori del Prof. Krotkus dell’Università di Vilnius (Lituania)

13 Semiconduttore: misure a Vilnius dose ~ 1E15 N/cm 2 Viene utilizzata la tecnica pump and probe al THz GaAs

14 Finanziamento da USA La fondazione Schwinger ha accettato di finanziare uno studente per lavorare nello sviluppo del sistema di controllo del laser

15 Conclusioni - Cavità risonante alto Q (~ ) OK - Ricevitore a bassissimo rumore OK - Semiconduttore veloce (  ~ 20 ps,  ~ 0.7 m 2 /(V s) ) OK - Laser modulato in ampiezza a 5 GHz da completare Status attuale: La misura del coefficiente di guadagno del processo di amplificazione parametrica permetterà di verificare le previsioni teoriche del Prof. V. Dodonov e quindi di pianificare la misura dell’effetto Casimir Dinamico

16 Richieste 2009: dettaglio CONSUMI 3 KE PV : Materiale optoelettronico di ricambio per il laser 3 KE PD : Materiale di ottica 3 KE PD : Materiale da vuoto e criogenia 6 KE PD : Semiconduttori / Irraggiamenti/ taglio / AR Coating 12 KE LNL : Elio Liquido; Gas Puri; Azoto Liquido; Magazzino 2 KE RM : varia consumo 2 KE TS: varia consumo Totale consumo: 31 KE COSTRUZIONE APPARATI 6 KE PD : Upgrade di potenza intermedia del laser Totale C.A.: 6 KE

17 Personale e sezioni

18 Richieste 2009: globale Milestones: giugno 2009 Completamento del laser giugno 2009 Accordabilità cavità dicembre 2009 Misure del fattore di guadagno dell’amplificatore parametrico

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20 Catena elettronica Si usa un amplificatore criogenico e poi un sistema di rivelazione a supereterodina a temperatura ambiente L’amplificatore criogenico ha un guadagno di 37 dB e permette di trascurare il rumore della catena a temperatura ambiente E’ molto importante curare l’alloggiamento e raffreddamento dell’amplificatore e del cavo di collegamento all’antenna per ottenere minimo rumore

21 Alloggiamento nel nuovo criostato Amplificatore criogenico Cavità Motori per antenna Accoppiatore direzionale