MIR: proposta sperimentale per la misura dell’effetto Casimir dinamico STUDIO DEL VUOTO QUANTISTICO Questo esperimento studia la creazione di particelle dal vuoto ottenuta mediante accelerazione non uniforme di una parete riflettente in una cavità risonante a microonde. APPARATO SPERIMENTALE Uno strato di semiconduttore (spessore ~ 150 mm) è posto sulla parte finale di una rientranza di una cavità risonante ad alto Q (realizzata in rame o niobio). La frequenza propria nr~ 2.5 GHz. Usando luce laser modulata in ampiezza (frequenza f) il semiconduttore commuta da trasparente a riflettente, producendo così un moto efficace. Si ottiene amplificazione parametrica per: f = 2 nr Saranno prodotti fotoni dal vuoto e misurati dall’antenna tramite un ricevitore ultra sensibile. Cavità reale smontata

Stato attuale Set-up di misura Durante il 2012/13 si sono svolte altre misure di amplificazione parametrica con 5 diversi tipi di semiconduttori aventi tempi di ricombinazione tra 5 ps e 40 ps e con cavità precaricata In tutti i casi si trova che la dissipazione è maggiore del coefficiente di guadagno dando luogo ad un fenomeno di risonanza parametrica ma senza incremento di segnale. I dati sono stati riprodotti sia tramite simulazione numerica sia mediante uso di formule analitiche Guadagno totale RA < 1 L’approccio con il semiconduttore irraggiato è quindi scartato. Curva di risonanza parametrica Punti – dato sperimentale Linee - simulazione

Sostituzione del semiconduttore con un cristallo non lineare Misure fatte: Generazione di radiazione per interazione non lineare del treno di impulsi messo a disposizione dal laser dell’esperimento MIR in KTP e ZnSe (studio del fenomeno di modulazione delle proprietà del cristallo all’interno di una cavità risonante alla frequenza di ripetizione del laser) lavoro sottomesso + brevetto B) *Studio del processo parametrico con la frequenza di cavità a fRF = ½ fLASER undergoing measurements Vari lavori in letteratura propongono variazione di indice di rifrazione per modulare le condizioni al contorno del campo EM. Sostituzione del semiconduttore con cristallo NL consente di minimizzare i processi dissipativi. H. Saito and H. Hyuga, J. Phys. Soc. Jpn. 65, 1139 (1996). D. Faccio and I. Carusotto, EPL 96, 24006 (2011). R. Schutzold, e-print arXiv:quant-ph/1110.6064 (2011). F. X. D. A. Lambrecht, EPL 89, 14001 (2010). V. V. Hizhnyakov, Quantum. Opt. 4, 277 (1992).

Sfruttiamo effetto al secondo ordine per DCE Studio della generazione di RF (A) RF out @ nLASER Inviluppo laser La potenza di radiazione emessa dal processo di interazione NL tra impulsi laser e cristallo (rettificazione ottica) è legata ai coefficienti NL del secondo ordine Sfruttiamo effetto al secondo ordine per DCE

Studio della generazione di RF

Studio del processo parametrico (B) Al variare della fLASER (frequenza di ripetizione del laser) si misura l’energia immagazzinata in cavità alla fine del processo di eccitazione RF out @ ½ nLASER Nessun effetto dissipativo osservato con campi precaricati in cavità (generatore esterno)

Sostituzione del semiconduttore con diodo variabile (varicap) Una seconda opzione studiata è stata l’utilizzo di un diodo a capacità variabile, pilotabile direttamente tramite una sorgente a radiofrequenza. Cavity front plate Il sistema funziona: misurato lo spettro del rumore termico di singolo modo a temperatura ambiente varicap Istogramma dei tempi di misura per spettro termico: misura e simulazione T = 298 K

Cavità risonante con antenne Driver del varicap Sistema di disaccoppiamento termico ed elettromagnetico

Misure in corso e prossimi sviluppi Lo studio dell’Effetto Casimir dinamico significa andare a studiare il risuonatore con un numero di fotoni termici prossimo a zero  bassa temperatura Prime misure con varicap a bassa temperatura Energia del modo / Probabilità Energia punto zero Prossime misure: - controllo sorgenti di rumore - aumentare statistica - ridurre la temperatura sotto i 7 K

Sistema cristallo non lineare + laser impulsato Prospettive Sistema con varicap Per lo studio a bassa temperatura va controllata la presenza di sorgenti di rumori esterni che modificano lo spettro di energia Con sufficiente statistica sarà possibile verificare l’effetto Casimir Dinamico (Energia di punto zero) anche a temperature dell’ordine di 1 K Sistema cristallo non lineare + laser impulsato Verifica indipendente in assenza di segnale RF di pompa Da capire se il guadagno ottenibile è sufficiente Sviluppi strumentali L’amplificatore parametrico sviluppato con il varicap potrebbe essere usato come amplificatore a basso rumore (limite quantistico) se utilizzato a bassa temperatura e progettando uno schema di funzionamento opportuno Possibili applicazioni in altri soggetti di CSN2 (Materia oscura, neutrini)

Sezioni Partecipanti all’esperimento MIR LNL, PD, PV, TS, Roma1 Resp. Nazionale G. Carugno (PD) Componenti gruppo PD C. Braggio 70% G. Carugno 60% R. Sigurudu 100% G. Puglierin 40% Richieste gruppo PD per Commissione II 20 kEuro Consumo 15 kEuro Missioni 3 kEuro Costruzione Apparati Attività per il 2014 Studio del sistema di amplificazione parametrica con Varicap a temperature criogeniche (fino a 2 K) con l’obbiettivo di identificare il contributo dell’energia di punto zero