Realization of a broadband picosecond acoustics setup to study hypersonic propagation in disordered materials. Relatore: Dott. T.Scopigno Laureando: Marco Ferretti

Sommario Andamento teorico dell'attenuazione acustica in sistemi disordinati Esistenza di una regione di frequenza inaccessibile con tecniche attuali Vantaggi della “Picosecond Acoustics” Applicazione della tecnica a campioni di silica vetrosa

Attenuazione acustica in sistemi disordinati Somma di due meccanismi fisici distinti: Anarmonicità del potenziale tra particelle Γ ν ∝ ν 2 𝑠𝑒ν< ν 𝑟 = 1 τ Γ ν =𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠𝑒ν> ν 𝑟 Disordine strutturale Γ ν ∝ ν 4 𝑠𝑒ν< ν 𝑅 = 𝑣 𝑠 ξ Γ ν ∝ ν 2 𝑠𝑒ν> ν 𝑅

Scenario sperimentale Limite basse frequenze: ν< ν 𝑟 Γ ν ∝ ν 2 Pa ν 𝑟 <ν< ν 𝑅 Regione intermedia: Γ ν ∝ ν 4 ν> ν 𝑅 Limite alte frequenze: Γ ν ∝ ν 2 Ma la regione intermedia non è accessibile con le tecniche spettroscopiche risolte nel dominio della frequenza!

Standard Picosecond Acoustics Laser monocromatico (800 nm) e ultracorto (50 fs) lancia un pacchetto d'onda fononico (40-400 GHz) Fascio di probe subisce riflessioni statiche (con le interfacce) e dinamiche (con i fononi) Interazione con singolo fonone (Scattering Brillouin Stimolato): ν= 2nv 𝑠 λ 𝑝𝑟 cos θ 𝑇= λ 𝑝𝑟 2nv 𝑠 cos θ

Picosecond Acoustics con substrato ω′= 𝑛 𝑆𝑖 𝑛 𝑆𝑖𝑂 2 𝑣 𝑆𝑖 𝑣 𝑆𝑖𝑂 2 ω 𝑛 𝑆𝑖𝑂 2 ≈1.5 𝑛 𝑆𝑖 ≈5.3 𝑣 𝑆𝑖𝑂 2 ≈6 𝐾𝑚 𝑠 𝑣 𝑆𝑖 ≈9.3 𝐾𝑚 𝑠 40𝐺𝐻𝑧→200𝐺𝐻𝑧 Ampiezze riflettività proporzionali all'intensità dell'onda acustica. Maggiore è lo spessore di silica, minore è la prima ampiezza nel Silicio. 𝐴 𝑆𝑖 ∝ 𝑒 −𝑑 𝑙 α= 𝑙 −1

PA con probe monocromatico Un gruppo francese ha applicato questa tecnica con Probe monocromatico [1] Risultati in contraddizione con gruppo italiano (misure BLSUV) [2] Attenuazione misurata per solo 6 diverse frequenze (ottenute modificando la lunghezza d'onda della sorgente) [1] Rufflè et. Al, Phys. Rev. B, 77, 100201 (2008) [2] Masciovecchio et. Al, Phys. Rev. Lett., 97, 035501 (2006)

Broadband Picosecond Acoustics Sorgente Sample WLC Pump derivato dalla sorgente Laser Ti:Sa 800nm 50fs 1kHz 3.5mJ Probe broadband nel visibile [420-600] nm. Monochromator Chopper Delay Line CCD Riflessione dispersa sulla CCD.

Applicazione PA 5 campioni con spessori differenti di Silica Per ogni spessore circa 10-18 ripetizioni (6 ore) Per ogni ripetizione abbiamo una matrice 𝑁 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙𝑠 × 𝑁 𝑠𝑡𝑒𝑝𝑠

Traccia a λ fissata Esponenziale rimosso attraverso un algoritmo di SLICING utilizzato in esperimenti NMR

Spessore silica 483nm

Altri esempi a vari spessori

Modello per il Fit Abbiamo valutato le ampiezze di oscillazione mediante il seguente modello di Fit: Non c'è assorbimento apprezzabile nella Silica C'è assorbimento ottico nel Silicio Onda acustica parzialmente riflessa dall'interfaccia Silica-Silicio

Vari spessori a λ fissata

Misura attenuazione acustica Ci aspettiamo un decadimento esponenziale: 𝐴 𝑆𝑖 𝐴 𝑆𝑖𝑂 2 ∝ 𝑒 −𝑑 𝑙 Γ= 𝑣 𝑆𝑖𝑂 2 2π𝑙

Attenuazione acustica

Attenuazione acustica ν 2 ν 4

Conclusioni Sviluppo di un apparato sperimentale per Broadband Picosecond Acoustics Applicazione PA per monitorare la propagazione di onde ipersonore (da 100 GHz a 200 GHz) in campioni di Silica in una regione inaccessibile con le tecniche spettroscopiche risolte nel dominio della frequenza Misura dell'attenuazione acustica nella Silica: trovata una frequenza di crossover a 175 GHz. Campioni diversi (bulk o film) diverse frequenze di crossover