Laurea Magistrale in FisicaLaurea Magistrale in FisicaCorso di Laboratorio di Fisica - a.a. 2009/10Corso di Laboratorio di Fisica - a.a. 2009/10

Proposta di esperienza di laboratorioProposta di esperienza di laboratorio

Tecniche ottiche risolte in tempo Tecniche ottiche risolte in tempo perper

l’analisi non distruttiva dei l’analisi non distruttiva dei materialimateriali

Proponenti: Proponenti: Prof. Corrado de LisioProf. Corrado de LisioProf. Giampiero PepeProf. Giampiero PepeDr. Loredana ParlatoDr. Loredana Parlato

SommarioSommario

• Spettroscopia Ottica Ultraveloce Spettroscopia Ottica Ultraveloce (UOS)(UOS)

• ApplicazioniApplicazioni•MetalliMetalli•SemiconduttoriSemiconduttori•ManganitiManganiti•SuperconduttoriSuperconduttori•Materiali innovativiMateriali innovativi

• Descrizione dell’esperimentoDescrizione dell’esperimento

• Prospettive futureProspettive future

Strumentazione e tecniche Strumentazione e tecniche impiegateimpiegate

• Laser Ti:Sa con mode-locking, durata degli Laser Ti:Sa con mode-locking, durata degli impulsi: 100 fs; potenza media: 600 mW, impulsi: 100 fs; potenza media: 600 mW, = = 800 nm; cadenza degli impulsi: 82 MHz800 nm; cadenza degli impulsi: 82 MHz

• Rivelatore: fotodiodo veloce (125 MHz)Rivelatore: fotodiodo veloce (125 MHz)

• Linea di ritardo ottica programmabileLinea di ritardo ottica programmabile

• Oscilloscopio digitaleOscilloscopio digitale

• Amplificatore lock-inAmplificatore lock-in

• Strumentazione ed acquisizione dati controllate Strumentazione ed acquisizione dati controllate da computer (LabView)da computer (LabView)

• Elaborazione dei dati (Microcal Origin)Elaborazione dei dati (Microcal Origin)

Impegno richiestoImpegno richiesto

• Circa 40 h:Circa 40 h:

• 4 h: introduzione alle problematiche4 h: introduzione alle problematiche

• 2 h: guida alle norme di sicurezza2 h: guida alle norme di sicurezza

• 4 h: familiarizzazione con la 4 h: familiarizzazione con la strumentazione e strumentazione e le tecniche di le tecniche di misuramisura

• 20 h: realizzazione delle misure20 h: realizzazione delle misure

• 10 h: analisi dei dati10 h: analisi dei dati

Spettroscopia Ottica UltraveloceSpettroscopia Ottica Ultraveloce

• Dinamiche elettroniche in semiconduttoriDinamiche elettroniche in semiconduttori• Diffusione elettrone-elettrone ed elettrone-fononeDiffusione elettrone-elettrone ed elettrone-fonone• Trasporto elettronicoTrasporto elettronico• Effetti coerenti Effetti coerenti • Confinamento quantico in semiconduttori ed Confinamento quantico in semiconduttori ed

eterostruttureeterostrutture

• Correlazioni a molti corpi nelle distribuzioni Correlazioni a molti corpi nelle distribuzioni dei portatori generati in seguito ad dei portatori generati in seguito ad assorbimento di luceassorbimento di luce

• Natura dei processi di interazione e–e ed e–p Natura dei processi di interazione e–e ed e–p in metalli convenzionali (Au, Ag)in metalli convenzionali (Au, Ag)

• Dinamiche dei portatori e delle quasi-Dinamiche dei portatori e delle quasi-particelle nei semiconduttoriparticelle nei semiconduttori

DinamicheDinamiche ultraveloci nei metalli ultraveloci nei metalli

Unpaired Unpaired electronselectrons

Cooper pairs (T<Tc)Cooper pairs (T<Tc)

energy gap ()energy gap ()

Photon absorptionPhoton absorption(h )(h )

Unpaired Unpaired ElectronsElectrons

(quasi-particles)(quasi-particles)

Cooper pairsCooper pairs

Pair breakingPair breaking

e-e and e-pe-e and e-pscattering produces scattering produces

many quasi-many quasi-particles with particles with energy > 2 energy > 2

Relaxation Relaxation

Dinamiche ultraveloci nei superconduttoriDinamiche ultraveloci nei superconduttori

• L’assorbimento di fotoni modifica la funzione di L’assorbimento di fotoni modifica la funzione di distribuzione elettronicadistribuzione elettronica

• Alterazione della funzione dielettrica: Alterazione della funzione dielettrica: (t) = (t) = 11(t)(t)+ i+ i22(t)(t)

• Si modificano le proprietà ottiche del materiale:Si modificano le proprietà ottiche del materiale:

Dove Dove RR , ,TT

Transient thermo-reflectance (TTR)Transient thermo-reflectance (TTR)or thermo-transmittance (TTT) or thermo-transmittance (TTT)

The experimental The experimental setupsetup

Lock-in amplifieramplifier

MillenniaMillennia TsunamiTsunami

Modulation monitor

Wavelength = 750 820 nmWavelength = 750 820 nmPulse duration = 90 fsPulse duration = 90 fsPulse energy = 9 nJPulse energy = 9 nJRep. Rate = 82 MHzRep. Rate = 82 MHzAvg. Power = 700 mWAvg. Power = 700 mW

PolarizingPolarizingbeamsplitterbeamsplitter

Acousto-opticAcousto-opticmodulatormodulator

PBSPBS

AOMAOM

PBSPBSSampleSample

Prospettive future Prospettive future

• Misure su manganiti e materiali innovativi Misure su manganiti e materiali innovativi (nanoparticelle metalliche in matrici (nanoparticelle metalliche in matrici polimeriche, nanotubi di carbonio, etc. etc.)polimeriche, nanotubi di carbonio, etc. etc.)

• Caratterizzazione ultraveloce delle dinamiche Caratterizzazione ultraveloce delle dinamiche di spin (TR-MOKE)di spin (TR-MOKE)

• Misure con risoluzione spettrale (generazione Misure con risoluzione spettrale (generazione di luce bianca per il probe e uso di un di luce bianca per il probe e uso di un amplificatore parametrico)amplificatore parametrico)