LA RADIAZIONE INFRAROSSA DI SINCROTRONE Massimo Piccinini LNF- INFN Incontri di Fisica Frascati, 4-6 ottobre 2005

La spettroscopia IR che informazioni può dare? La tecnica sperimentale La luce di sincrotrone La linea di luce di sincrotrone SINBAD Alcune applicazioni della spettroscopia IR

La parte infrarossa dello spettro elettromagnetico Unità di misura : cm-1 1 eV ~ 8065 cm-1 1 THz ~ 33 cm-1 Lontano IR: 5-500 cm-1 Medio IR: 500-5000 cm-1  da 1 meV a 1 eV Vicino IR: 5000-15000 cm-1

Quando un fascio di radiazione elettromagnetica di intensità Io passa attraverso un materiale, può essere assorbito o trasmesso*, a seconda della frequenza della radiazione e delle proprietà fisiche delle molecole che incontra: I0 Assorbimento I=I0 e-ax a coeff. di assorbimento Trasmissione x Assorbimento Quando una molecola assorbe energia avviene una transizione dal suo stato iniziale (Einiziale) ad uno finale (Efinale). La frequenza della radiazione assorbita è legata all’energia della transizione dalla legge di Planck: Efinale - Einiziale = hn = hc/l . Dunque, se la frequenza della radiazione incidente soddisfa questa legge per una coppia di stati iniziale e finale la radiazione viene assorbita, altrimenti trasmessa. * Per la riflessione si vedano diapositive successive

Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa? Gli assorbimenti di una molecola avvengono a frequenze IR: rotazioni, vibrazioni. Analisi chimiche: gli assorbimenti a frequenze caratteristiche per ogni molecola sono le “impronte digitali” delle molecole stesse. Proprietà elettroniche: band gap dei superconduttori; metalli, isolanti, semiconduttori. Possibilità di studiare le proprietà ottiche di un sistema in funzione di altre variabili (temperatura, pressione, campi magnetici).  Analisi non distruttive

Ogni molecola formata da N atomi ha 3N gradi di libertà: 3 g.d.l. traslazionali  Etrasl = mv2/2= mvx2/2+ mvy2/2+ mvz2/2 3 g.d.l. rotazionali  Erot = Iw2/2= Iwx2/2+ Iwy2/2+ Iwz2/2 ( per le molecole lineari I=0 per la rotazione attorno all’asse principale, dunque i gdl sono 2) stretching bending (3N – 6) g.d.l. vibrazionali H2O (3N – 5 per le molecole lineari) Un modo è attivo nell’IR se ad esso è associata una variazione del momento di dipolo della molecola

La molecola di CO2 Momento di dipolo  0  attiva nell’IR Momento di dipolo = 0  non attiva nell’IR

Spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR) Albert Michelson (1852-1931) Edward Morley (1838-1923) Il primo interferometro fu usato nel 1881 da Michelson e Morley per dimostrare l’esistenza dell'etere, sfruttando il fenomeno dell’interferenza tra due fasci di luce che percorrono cammini ottici diversi.

Come funziona un interferometro sorgente detector Onda monocromatica Onda non monocromatica x= nl/2 n= 0,2,4... x= nl/2 n= 1,3,5...

La trasformata di Fourier La grandezza misurata dal rivelatore è I(x). Per ottenere lo spettro S(n) se ne calcola la trasformata di Fourier

L’interferometro della linea SINBAD: Bruker Equinox 55 Sorgenti convenzionali SR

Ricapitolando... L’interferometro (A) produce un interferogramma I(x). L’interferogramma (B) viene campionato dalle frange del laser (C). Il computer calcola la trasformata di Fourier dell’interferogramma per ottenere lo spettro. Si acquisisce uno spettro sul campione (A), poi uno sul riferimento (B) e si calcola la trasmissione (C) T=I/I0

Detectors IR

Un moderno microscopio IR: La microscopia IR Un moderno microscopio IR: Bruker Hyperion 3000 Il primo microscopio IR (Perkin Elmer)

La risoluzione massima è legata al limite di diffrazione L’immagine di una sorgente puntiforme di lunghezza d’onda l ha un diametro d = 1.22 l /(NAobbiettivo + NAcondensatore) dove NA è l’apertura numerica (si assume n=1 per l’aria). In pratica d~ l. Per la regione dell’ IR in cui si osservano le “impronte digitali” di una molecola, l ~ 5 dunque la risoluzione spaziale del microscopio è ~ 5

LA RADIAZIONE INFRAROSSA DI SINCROTRONE

Le sorgenti di radiazione IR Sorgenti Convenzionali: Corpo nero (lampade alogene, Globar, lampade Hg) Sincrotrone (a banda larga): Magnete curvante (guadagno in brillanza 102) Ondulatore (5-10) Emissione da edge (103) Bunch-Coherence (108 : solo nel lontanissimo IR  THz) Sincrotrone o LINAC: Free Electron Laser (guadagno in brillanza 108 )

InfraRed Synchrotron Radiation - cronologia 1976 Prima osservazione di IRSR (Stevenson, Lagarde) 1985 Primo spettro IRSR (Berlin) 1985 Prima beamline a UVSOR (Giappone) 1987 Beamline con utenti a (Brookhaven) 1995 Primo workshop internazionale su IRSR (Roma). 1995 Osservazione di emissione da bordo magnete (Madison). 2001 Prima beamline che sfrutta emissione da bordo magnete (Karlsruhe) 2002 Emissione coerente nel THz da bunches (Berlin)

Sorgente di sincrotrone Quale funziona meglio? Sorgente termica convenzionale Sorgente di sincrotrone

Radiazione attraverso un pinhole da 10 µm (microscopio)

Guadagno in intensità della IRSR rispetto ad un corpo nero

L’emissione di radiazione IR da magnete curvante Brillanza Polarizzazione Struttura temporale

Emissione dal centro del magnete curvante B = const Distribuzione di intensità Angolo di apertura: Flusso che attraversa un’apertura rettangolare E = 2.5 GeV B = 1.56 T (  5.3 m) I = 500 mA r  0.7 m ax = 40 mm (~57 mr) ay = 32 mm (~45 mr)

Emissione dal bordo del magnete curvante Emissione dal centro del magnete curvante

DA F NE wavelength (µm) Photon energy (eV) Photons/s/mm /mrad /0.1%bw Blackbody (1200°K) DA F NE Elettra ALS SLS ESRF 10 -4 -2 2 4 6 8 12 14 16 12398 124 1.24 0.012 0.00012 wavelength (µm) Photon energy (eV) Photons/s/mm /mrad /0.1%bw 1000 µm 5000 eV . -Natural emission higher than third generation storage rings (<10-6 mrad). -Intensity is E indeopendent in the IR range -low energy means low power on the first optical element

La struttura temporale La struttura pulsata della radiazione IR di sincrotrone rappresenta uno strumento di analisi estremamente potente per investigare fenomeni che dipendono dal tempo su scale molto piccole (nanosecondi). La spettroscopia risolta in tempo può essere, per ora, applicata nella regione del medio IR, dove sono disponibili detectors veloci. STEP scan vs. RAPID scan

La sequenza temporale dei bunches di DAFNE Struttura della sorgente ottenuta osservando l’immagine IR alla fine della linea con un rivelatore IR (ottimizato per l= 10.6 mm) posto all’ ingresso dell’inteferometro

COME E’ FATTA UNA BEAMLINE PER L’INFRAROSSO

60x60 mrad - M2 ellissoide

Propagazione di un fronte d’onda Aperture 45 mr H x 15 mr V M1 Flat Be M2 Toroid Rt3.3 m, Rs1.65 m fxfz1.167 m W1 Diamond D = 20 mm M3 Toroid Rt3.3 m, Rs1.65 m fxfz1.167 m BM 2.166 m 0.98 m 1.75 m ~4.2 m 0.35 m Flux at 10 m Wavelength: 4.08 x 1013 Photons/s/0.1%bw Assumption of perfect alignment of all mirrors Intensity Distributions at 10 m Wavelength Optical scheme: Y.-L.Mathis, F. Polack, H. Mozer

LA LINEA IRSR SINBAD @ DANE Interferometer SR Microscope Chamber of the thoroid

SORGENTI IRSR NEL MONDO ED IN ITALIA

Numero di beamlines IR nel mondo

Beamlines IR in Europa 

DANE (LNF – INFN)

e+ e- collider Alta corrente: I > 1 A Bassa energia: E= 0.51 GeV IR Ampio range spettrale NIR – MIR - FIR Brillanza Segnale intenso – alto rapporto segnale/rumore Alta risoluzione (Diffraction Limited) Sorgente puntiforme – massima risoluzione spaziale Emissione impulsata Bunches di elettroni – esperimenti risolti in tempo (ns) Polarizzazione Polarizzazione lineare e circolare IR

La hall di DANE e il front-end della linea

Lo schema ottico della linea SINBAD SR SOURCE Specchio di estrazione: 17 mrad (H) x 45 mrad (V) Spot Size : NIR (1x1.5) mm2

Microscopio Bruker IRscope I - Risoluzione spaziale: ~10 mm - in ambiente di azoto - MIR range (500-8000 cm-1) Interferometro Bruker Equinox 55 Modificato per lavorare in alto vuoto (10-3 mbar) - Intervallo spettrale: 20-15000 cm-1 - Risoluzione: 0.5 cm-1 Apparati criogenici T= 6 - 300 K T= 90 – 540 K Bolometro 4.2 K e 1.6 K

Brillanza della sorgente: Confronto tra SR e corpo nero

Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti convenzionali: =2 m Globar  =100 m Hg lamp Theory: A. Marcelli et al. 1998, Nuovo Cimento 20, 463

APPLICAZIONI DELLA LUCE DI SINCROTRONE IR

Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR

assorbimento IR da cariche libere + stati legati Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR assorbimento IR da cariche libere + stati legati nel Bi2Sr2CuO6 con Tc = 20 K (Lupi et al., PRB 2000)

Microscopia IR Schematic diagram of an infrared microspectrometer system

Simulazione del flusso di fotoni attraverso un microscopio IR al massimo della risoluzione spaziale Globar Sincrotrone Rapporto S/N (Dumas, LURE)

Microspettroscopia Infrarossa La scala dei 10 m: Inclusioni nei minerali Pollini Biomasse Linfociti Cellule ematiche Virus Spot: 10 m, Ris. 8 cm-1 Acquisizione: 8 min. I n t e s i y SINBAD spot

Analisi non distruttive di tessuti e cellule Mapping delle specie chimiche nei sistemi biologici con analisi non distruttive Variazioni conformazionali in aggregati proteici subcellulari. Spettroscopia single-cell e imaging delle componenti durante il ciclo cellulare Adapted from N.Jamin, P.Dumas, J.Moncuit, W-H.Fridman, J-L.Teillaud, G.L.Carr, G.P.Williams Proc.Natl.Acad.USA 95, 4837-4840 (1998)

Queste strutture agiscono come mezzi per portare il DNA nelle cellule. Caratterizzazione di complessi DNA-lipidi su supporto solido Prof. A. Congiu – Università di Roma “La Sapienza” Membrane di lipidi condensano spontaneamente il DNA sulla loro superficie per attrazione elettrostatica. Queste strutture agiscono come mezzi per portare il DNA nelle cellule. La struttura delle catene di lipidi è influenzata dall’interazione con il DNA. Variata la concentrazione DNA-lipidi per studiare l’interazione reciproca Luce polarizzata per studiare l’orientazione preferenziale del DNA rispetto alla catena di lipidi

Cellule umane: cancro della prostata Prof. W Cellule umane: cancro della prostata Prof. W. Kwiatek – Università di Cracovia Sezione sottile di cellule umane di prostata Mapping con pin-hole da 20 micron di diametro

Deposizione in situ di film mesoporosi Prof. P. Innocenzi – Università di Sassari Film di SiO2 autoassemblanti mesoporosi prodotti per evaporazione del solvente (etanolo). Pori di diametro 2 – 50 nm (alto ordine su volumi di cm x cm x mm). Monitoraggio della formazione del film (picco della SiO2 a 1100 cm-1) Monitoraggio dell’evaporazione del solvente (picchi dell’etanolo a 1044 e 1095 cm-1) Monitoraggio del contenuto d’acqua con il picco a 1610 cm-1, indice della formazione del film.

Lapis Lacedaemonius Master INFN-Roma Tre, Dr. Konstantina Kostourou Marmo verde decorativo Caratterizzazione del marmo Caratterizzazione delle inclusioni di quarzo Cura e restauro Interesse mineralogico

Sezioni sottili: spessore ~30 mm Mapping delle inclusioni di quarzo (su aree di diametro 20 m) Distribuzione del contenuto d’acqua nelle inclusioni dal centro verso i bordi.