LA RADIAZIONE INFRAROSSA DA SICROTRONELA RADIAZIONE INFRAROSSA DA SICROTRONE

Mariangela Cestelli GuidiLNF- INFN

Incontri di FisicaFrascati, 6 ottobre 2004

•La spettroscopia ottica: che informazioni può dare?•La tecnica sperimentale•Perchè la luce di sincrotrone•La linea Sinbad di luce di sincrotrone•Alcune applicazioni della spettroscopia IR

Unità di misura : cm-1 1 eV ~ 8065 cm-1

1 THz ~ 33 cm-1

La parte infrarossa dello spettro elettromagnetico

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 dell radiazione e delle proprietà fisiche delle molecole che incontra:

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 = h = hc/ .

Dunque, se la frequenza della radiazione incidente soddisfa questa legge per una coppia di stati iniziale e finale la radiazione viene assorbita, altrimenti trasmessa.

Assorbimento

Trasmissione

Assorbimento

I0

I=I0 e-x

coeff. di assorbimentox

* Per la riflessione si vedano diapositive successive

•Analisi chimiche: “impronte digitali” delle molecole

•Proprietà elettroniche : 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

Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa?Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa?

•Gli assorbimenti di una molecola avvengono a frequenze nell’IR:

FIR rotazioni MIR vibrazioni NIR bande di CT, gap s.c.

Ogni molecola formata da N atomi ha 3N gradi di libertà:

3 g.d.l. traslazionali Etrasl = mv2/2= mvx2/2+ mvy

2/2+ mvz2/2

3 g.d.l. rotazionali Erot = I2/2= Ix2/2+ Iy

2/2+ Iz2/2

(3N – 6) g.d.l. vibrazionali

( per le molecole lineari I=0 per la rotazione attorno all’asse principale, dunque i gdl sono 2)

(3N – 5 per le molecole lineari)bendingstretching

H2O

Un modo è attivo nell’IR se ad esso è associata una variazionedel momento di dipolo della molecola

La molecola di COLa molecola di CO22

Momento di dipolo = 0 non attiva nell’IR

Momento di dipolo 0 attiva nell’IR

Momento di dipolo 0 attiva nell’IR

Le equazioni della spettroscopia otticaLe equazioni della spettroscopia ottica

)(4

1)( i

)()(~ n

022'

')'(ln2)(

d

P

22

222

2

2

0 )1(

)1(

1

1)(

kn

kn

E

E

I

IR

i

rr

Si misura sperimentalmente ed è1 equazione in 2 incognite (n,k)

Riflettività

La seconda equazione si ottiene dalle relazioni di Kramers-Kronig:Ponendo

Trasmissione

)()()(~ iknn

)()()( 21 i

)()()( 21 i

Indice di rifrazione

Conducibilità

Funzione dielettrica

Informazioni che vogliamo estrarre da una misura IR:

)()()(~ ier

con )(~)(2 Rr

Coefficiente di assorbimento

L’interferometria in trasformata di Fourier (FTIR)L’interferometria in trasformata di Fourier (FTIR)

Albert Michelson (1852-1931)

Il primo interferometro fu usato nel 1881 da Michelson e Morleyper dimostrare l’esistenza dell'etere, sfruttando il fenomeno dell’interferenza tra due fasci di luce che percorrono cammini ottici diversi.

Edward Morley (1838-1923)

Onda monocromatica: Onda non monocromatica:

dII

1

2

02cos1)(

Come funziona un interferometro?

2x=nn

2x=nn=1,3,5...

)2cos()()( xSxI

La trasformata di Fourier

dxSxI )2cos()()(

dxxxIS )2cos()()(

La grandezza misurata dalrivelatore è I(x).per ottenere lo spettro S()se ne calcola la trasformata di Fourier

SR

L’interferometro della linea Sinbad: l’ Equinox 55 (Bruker)

Sorgenti convenzionali

Ricapitolando...

- L’interferometro (A) produce un interferogramma I(x).- L’interferogramma (B) viene campionato dalle frange del laser (C). In seguito il computer ne calcola la TF per ottenere lo spettro.

- Si acquisisce uno spettro sul campione (A), poi uno sul riferimento (B) e si calcola la trasmissione (C)

fotoresistenze (1 GHz) bolometri (1 KHz)

Detectors nell’IRDetectors nell’IR

La microscopia IRLa microscopia IR

Il primo microscopio IR (Perkin Elmer) Un moderno microscopio IR:IRscope I (Bruker )

La risoluzione massima è legata al limite di diffrazione:

L’immagine di una sorgente puntiforme di lunghezza d’onda ha un diametro

d = 1.22 /(NAobbiettivo + NAcondensatore)

dove NA è l’apertura numerica (si assume n=1 per l’aria).

In pratica d~ Per la regione dell’ IR in cui si osservano le “impronte digitali”

di una molecola, ~ 5dunque la risoluzione spaziale del microscopio è ~ 5

LA RADIAZIONE INFRAROSSALA RADIAZIONE INFRAROSSADI SINCROTRONEDI SINCROTRONE

Le sorgenti di radiazione IRLe sorgenti di radiazione IR

• Sorgenti Convenzionali: • Corpo nero (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 chronology

1976 First observation of IRSR (Stevenson, Lagarde)

1985 First IRSR spectrum (Berlin)

1985 First beamline at UVSOR (Nanba)

1987 Beamline with users at Brookhaven (Williams)

1995 First int. workshop on IRSR, Rome.1995 Observation of edge radiation, Madison.2001 First beamline exploiting edge radiation, Karlsruhe

2002 Emission from coherent bunch modes, Berlin (Schade)

Quale funziona meglio?

Sorgente termica Sorgente di sincrotrone

Radiazione attraverso un pinhole da 10 µm (microscopio)

Guadagno in brillanza della IRSRGuadagno in brillanza della IRSRrispetto ad un corpo nerorispetto ad un corpo nero

L’emissione di radiazione IR da magnete curvanteL’emissione di radiazione IR da magnete curvante

BrillanzaPolarizzazione

Struttura temporale

B = const

Flusso che attraversa una apertura Flusso che attraversa una apertura rettangolarerettangolare

Distribuzione di intensitàDistribuzione di intensità

E = 2.5 GeVB = 1.56 T ( 5.3 m)I = 500 mA

r 0.7 max = 40 mm (~57 mr)ay = 32 mm (~45 mr)

31)(~ )( c

Angolo di aperturaAngolo di apertura::

c

dxxK

Ieddtd

dN

c )(

2

3

)(

35

Flusso integrato sulla Flusso integrato sulla distribuzione verticale distribuzione verticale

Emissione coerente dal centro del magnete curvanteEmissione coerente dal centro del magnete curvante

1.5

1.0

0.5

0.0M

agne

tic

Fiel

d [T

]

1.0m 0.5 0.0 -0.5 -1.0Position on particle trajectory [m]

-40mm

-20

0

20

40

y [m

m]

-40mm -20 0 20 40x [mm]

150

100

50

0

Photons/s/.1%bw

/mm

^2 x109 -40mm

-20

0

20

40

y [m

m]

-40mm -20 0 20 40x [mm]

2.5

2.0

1.5

Photons/s/.1%bw

/mm

^2 x109

Blackbody(1200°K)

DANE

Elettra

ALS

SLSESRF

10 -4 10 -2 100 10 2 10 4 10 610 2

10 4

10 6

10 8

10 10

10 12

10 14

10 1612398 124 1.24 0.012 0.00012

wavelength (µm)

Photon energy (eV)

Ph

oton

s/s/

mm

2 /m

rad

2 /0.

1%b

w

1000 µm

5000 eV

La struttura temporaleLa 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. Oltre alla spettroscopia risolta in tempo o alla spettroscopia fast-scan, la luce di sincrotrone IR può essere utilizzata per esperiment di tipo pump-probe utilizzando tecniche FTIR standard. La spettroscopia risolta in tempo può essere, per ora, applicata nella regione del medio IR, dove sono disponibili detectors veloci (la tipica frequenza di cutoff di un bolometro nel lontano IR è di 300 Hz).

STEP scan vs. RAPID scan

La sequenza temporale ad ALS

80 nsec gap

2 nsec spacing, 44 psec pulse width

nsec TRS measurement

with an IFS 66v/S

Ref: M.C. Martin, W.R. McKinney ALS Lawrence Berkeley National Lab.,USA

COME E’ FATTA UNA BEAMLINE COME E’ FATTA UNA BEAMLINE PER L’INFRAROSSOPER L’INFRAROSSO

60x60 mrad - M2 ellissoide

Propagazione di un fronte d’onda: ANKA IRPropagazione di un fronte d’onda: ANKA IR

Aperture45 mr H x 15 mr V

M1Flat Be

M2 ToroidRt3.3 m, Rs1.65 mfxfz1.167 m

M3 ToroidRt3.3 m, Rs1.65 mfxfz1.167 m

W1DiamondD = 20 mm

BM

2.166 m 0.98 m

0.35 m

1.75 m

Intensity Distributions at 10 m WavelengthFlux at 10 m Wavelength: 4.08 x 1013 Photons/s/0.1%bw

Assumption of perfect alignment of all mirrors

Optical scheme: Y.-L.Mathis, F. Polack, H. Mozer

~4.2 m

LA LINEA DI IRSR SINBAD @ DALA LINEA DI IRSR SINBAD @ DANENE

Interferometer

Microscope

Chamber of the thoroid

SR

SORGENTI IRSRSORGENTI IRSRNEL MONDO ED IN ITALIANEL MONDO ED IN ITALIA

# di beamlines IR nel mondo # di beamlines IR nel mondo

Solo in Europa...Solo in Europa...

DANE - LNF INFN

IR

ee++ e e-- collider collider

Alta corrente: I >1 ABassa energia: E=0.51 GeV

Tunability Tunability

Emission from SR rings covers continuously the

spectral range from microwaves to X-ray.

BrightnessBrightness

High brightness allows for intense signal and

fast spectrum collection times

Diffraction Limited ResolutionDiffraction Limited Resolution

As a consequence of brightness, SR IR beams can be focused to diffraction limited spots without loss of intensity. Maximum spatial resolution is achievable in microscopy.

Pulsed EmissionPulsed Emission

The bunch pattern of the electron beam gives rise to a pulsed emission of IR radiation that is valuable in time resolved experiments.

PolarizationPolarization

Linearly and circularly polarized components of the radiation can be easily extracted by selecting sections of the beam

La hall di DALa hall di DANENE

SINBAD SINBAD

LNF - DANE-Ligth

•E. Burattini•M. Cestelli Guidi

•G. Cinque•A. Grilli

•A. Marcelli•M. Piccinini

Universita’ La Sapienza

•P. Calvani•A. Nucara

•P. Postorino

Il team SINBAD (coll. INFN - La Sapienza)

P. Calvani, A. Marcelli, M. Piccinini, E. Burattini, M. Cestelli Guidi, A. Nucara

IL LAYOUT OTTICOIL LAYOUT OTTICO

Estrazione:17 mrad (H) x 45 mrad (V)

SR SOURCESR SOURCE

Spot Size : NIR (1x1.5) mm2

FIR diffraction limited

Bruker IRscope I- Spatial resolution ~10m- in purge mode- MIR range (500-8000 cm-1)

•Bruker interferometer Equinox 55- Modified to work in a vacuum (10-3 mbar)- Spectral range 20-15000 cm-1

- Resolution 0.5 cm-1

•Oxford cryogenic apparatus- T=10-300 K

•Bolometer 4.2 K

Brillanza della sorgente:Brillanza della sorgente:Confronto tra SR e corpo neroConfronto tra SR e corpo nero

Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti convenzionali:convenzionali:

=2 m Globar =100 m Hg lamp Theory: A. Marcelli et al. 1998, Nuovo Cimento 20, 463

0.1

2

4

6

81

2

4

6

810

2

I SR

/ I

BB

4.03.53.02.52.01.51.00.5

Pinhole diameter (mm)

Experimental values Theory

m

m

APPLICAZIONI DELLA LUCE DI SINCROTRONE

Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR

assorbimento IR dacariche libere + stati

legati

nel Bi2Sr2CuO6 con Tc = 20 K (Lupi et al., PRB 2000)

Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR

Synchrotronbeam

Interferometer

IR detector

White light

X-Y microstages

SchwarzschildObjectives

Sample visualisation

Adjustable aperture

Adjustable aperture

Microscopia IRMicroscopia IR

100bb

sync

Flux

Flux

Simulazione del flusso di fotoni attraverso un microscopio IRal massimo della risoluzione spaziale

Globar

Sincrotrone

Rapporto S/N (Dumas, LURE)

Spot: 10 m, Res. 8 cm-1 Acquisizione : 2 min.

S/N > 50

Microspettroscopia InfrarossaMicrospettroscopia Infrarossa

La scala dei 10 m:•Inclusioni nei minerali •Pollini•Biomasse•Linfociti•Cellule ematiche•Virus I

ntensity

SINBAD spot

Analisi non distruttive di tessuti e celluleAnalisi 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

The Journal of Neuroscience, April 15, 2002, 22(8):2989-2997

Molecular Changes of Preclinical Scrapie Can Be Detected by Infrared

Spectroscopy Janina Kneipp, Michael Beekes, Peter

Lasch, and Dieter Naumann PG3, Robert Koch-Institut, D-13353 Berlin, Germany

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)

Effetti della IRSR sui processi di ancoraggio nei cristalli liquidi Prof. E. Barna (Bucharest University)

Cristalli liquidi in una matrice di polimeri

V=0V=10 VRf =1 KHz

V=30 VRf = 1 KHz

~ 50 m

microspettroscopia IRSR di marmi antichi

Konstantina KostourouUniv. di Roma III

Roma, Chiesa di S.Saba (1205 A. D.). Capitello in porfido verde greco

(Lapis Lacedaemonius)

Sezione sottile (~ 30 m)

Il microscopio IR sulla linea Sinbad

• Un pinhole da 50 m seleziona zone differenti nell’nclusione• Tutta l’inclusione viene mappata

•Comprensione dei processi di deterioramento•Progetto di restauro

S/N ~ 100

Mapping delle inclusioni presenti nel marmo

500 m

Forza

Diamanti

Gasket

Campione

Dimensioni del campione:

300 m

spettroscopia FIR in celle ad incudine di diamante

range di pressioni : 0-10 GPa

Assorbimenti fononici