STRUTTURA  DELLA  MATERIA

  (Responsabile della Sezione: Prof. N. Spinelli)


  English Version

FISICA  ATOMICA  E  MOLECOLARE,  OTTICA  E  SPETTROSCOPIA  Dispositivi a cristalli liquidi per ottica integrata

G.Abbate,  F.Castaldo*, F. De Marco, D.H. Hermann*, E.Santamato

Attività 99

Le applicazioni ottiche dei Cristalli Liquidi (CL) sono ben note da tempo. Dall’inizio degli anni 90, la possibilità di controllare e ridurre drasticamente le perdite per diffusione, di realizzare dispositivi con tempi di risposta sufficientemente rapidi (< 1 ms), ha dato nuovo impulso alla ricerca sui dispositivi basati sui Cristalli Liquidi (CL) per applicazioni nel campo dell’Ottica Integrata. Questo tipo di ricerche attualmente costituiscono uno dei temi di maggiore interesse applicativo anche nell’ambito dell’Unione Europea (UE). Ne sono testimonianza il crescente numero di gruppi di ricerca in Europa, il loro coordinamento nell’ambito di Network dell’UE (Network nell’ambito dei  programmi HCM, TMR, BRITE, COST, EUREKA, INCO-Copernicus). Gli aspetti applicativi ed il coinvolgimento delle industrie in queste ricerche sono evidenti in due Network del Programma Europeo Brite-Euram: il primo su studi e applicazioni degli effetti di superficie e di ancoraggio nei CL; il secondo su dispositivi per la fotonica basati su CL. Il nostro gruppo di ricerca è uno dei partner del primo network e G.Abbate è il proponente ed il coordinatore scientifico del secondo. Noi siamo presenti in quasi tutti i summenzionati network europei di ricerca. In particolare, nel programma COST è attiva una Azione sull’ottica nonlineare, nel cui Management Committee G.Abbate rappresenta l’Italia in qualità di Delegato Nazionale.

L’attività di ricerca sia sperimentale che teorica su dispositivi a cristalli liquidi per ottica integrata è stata condotta in collaborazione con il laboratorio di Ottica dell’Istituto di Cibernetica del CNR di Arco Felice (NA), con il gruppo del dr. G.C. Righini dell’IROE del CNR di Firenze (nell’ambito di un progetto coordinato del CNR), con il Prof. M. Warenghem dell’Università di Lens (Francia), con il Prof. L. Komitov dell’Università di Goteborg (Svezia) e con il Prof. J. Otòn dell'Università di Madrid. Tale attività è finanziata dall’INFM e dalla Commissione Europea.

Nel corso degli ultimi anni sono stati ottenuti i seguenti risultati:

1)Sviluppo di un modello teorico e realizzazione del relativo software in MATLAB per la propagazione di  un fascio di dimensioni finite in mezzi anisotropi e non omogenei (Full Vectorial BPM).

2)Studio sperimentale e teorico degli effetti nonlineari in un dispositivo integrato a CL.

3)Realizzazione e caratterizzazione di dispositivi elettroottici in guida a CL nematico.

4)Studio degli effetti indotti nella guida di cui al punto 2 quando il cristallo liquido viene drogato con piccole quantità di colorante organico.

5)Dispositivi come al punto 3) ma con CL ferroelettrici. Questi ultimi possono fornire tempi di risposta molto più rapidi: noi abbiamo ottenuto finora tempi dell'ordine di 20 ms. Inoltre, essendo in fase smettica sono più ordinati dei nematici e pertanto esibiscono perdite per diffusione della luce molto minori.

6)Partecipazione ad una spin off dell'INFM per lo studio delle reali possibilità applicative dei nostri risultati e per il loro eventuale sfruttamento.

7) Partecipazione ad un Progetto di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN) del MURST sulle Memorie Ottiche a Cristalli Liquidi. Il coordinatore per Napoli è G. Abbate ed il coordinatore nazionale di questo progetto è il Prof. F. Simoni dell'Università di Ancona.

 

 

Programma 2000

I CL oltre alle proprietà su menzionate possono  essere facilmente miscelati con altri materiali dando luogo a nuovi  materiali compositi con proprietà  ottiche, termiche e meccaniche completamente differenti. Tra questi i più interessanti per le applicazioni ottiche sono i Polymer Dispersed Liquid Crystals (PDLC), i Liquid Crystal Dispersed Polymers ), i Filled Nematics (FN), i Dye Doped Liquid Crystals (DDLC), i Chiral Doped Liquid Crystals (CDLC),. Proseguendo nella linea della ottimizzazione dei dispositivi che prelude a loro reali impieghi nelle applicazioni il nostro studio sarà indirizzato verso: a) la diminuzione e/o il controllo delle perdite in strutture guidanti a CL; b) l’ottimizzazione dei materiali per migliorare l’efficienza e diminuire i tempi di risposta dei dispositivi ottici proposti; c) la realizzazione di nuovi dispositivi. Le nostre attività nel prossimo anno saranno quindi:

1)Estensione del nostro modello di BPM anisotropo alla propagazione in mezzi nonlineari.

2)Ottimizzazione dei dispositivi elettro-ottici realizzati al fine di un netto miglioramento delle prestazioni dei microdispositivi ottici a CL, con particolare riguardo ai tempi di risposta, alle perdite per diffusione ed alle potenze necessarie per innescare gli effetti nonlineari.

3)Realizzazione di un polarizzatore integrato in guida d'onda, controllato elettricamente.

4)Utilizzazione di CL ferroelettrici in guida d’onda per la Generazione di Seconda Armonica.

5)Studio della bistabilità ottica e degli effetti di isteresi in celle di CL drogati con composti chirali allo scopo di realizzare memorie ottiche.

 

Inoltre nel corso del 2000 saranno presentate proposte di ricerca a livello nazionale (PRIN 2000) ed a livello europeo (5th FP, Growth Program) sul tema delle applicazioni fotoniche ed in particolare nel campo delle telecomunicazioni di dispositivi basati su materiali liquido-cristallini. La collaborazione nazionale, coordinata dal gruppo di Napoli,  comprende gruppi presso le Università di Roma La Sapienza, Ancona e Cosenza. La collaborazione europea comprende gruppi universitari in Italia, Regno Unito, Francia, Germania, Spagna e Polonia nonché quattro gruppi industriali (Nortel-UK, Jenoptik-DE, CalcTec-IT, Nematel-DE).

 

Pubblicazioni

1)       L. Sirleto, G. Abbate, G.C. Righini, E. Santamato, "Optical sensors and microsystems using liquid crystals", in Optical Sensors and Microsystems, S.Martellucci and A.N.Chester eds., Plenum Press, New York and London, 1999

2)       F. Castaldo, G. Abbate and E. Santamato, "Theory for a new full-vectorial beam-propagation method in anisotropic structures", Applied Optics, 38, 3904 (1999).

3)       L. Petti, P. Mormile, G.C. Righini, G. Abbate "Experimental Results on a New Integrated Beam Deflector/Switch Based on Liquid Crystals", Mol. Cryst and Liq. Cryst., 331, 2049 (1999)

4)       E.Santamato, G.Abbate, P.Maddalena, L.Marrucci, D.Paparo, B.Piccirillo, "Dynamical regimes and motion intermittence induced by a laser beam in a nematic liquid crystal film", Mol. Cryst and Liq. Cryst. , 328, 479 (1999)

5)       L. Petti, L. De Stefano, P. Mormile, G.C.Righini, L.Sirleto, G. Abbate, "Nonlinear optical propagation in dye-doped liquid crystal waveguides", J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 1, 390  (1999). Featured article for the web presentation of the Journal.

6)       M. Warenghem, J.F. Henninot, G. Abbate, "From bulk Janossy effect to nonlinear self waveguiding or spatial soliton in dye doped liquid crystals", Invited Paper  of the J. of Nonlinear Optical Physics and Materials 8, 341 (1999).

7)       G. Scalia, G. Abbate, L. De Stefano, P. Mormile, E. Santamato, "Experimental observation of nonlinear beam splitting in dye-doped liquid crystal waveguides", J. of Nonlinear Optical Physics and Materials, 8, 319 (1999)

8)       L. Petti, P. Mormile, M.Furioso, G.C. Righini, L. Sirleto, G. Abbate, "Electro-optical behavior of an integrated device based on a liquid crystal waveguide", SPIE, 3620, 126 (1999)

9)       F. Castaldo, G. Abbate and E. Santamato, "Full vectorial beam propagation method in anisotropic and inhomogeneous structures. Theory and numerical implementation", SPIE, 3620, 280 (1999).

10)    G. Scalia, D. S. Hermann, F. De Marco, P. Mormile, G. Abbate, "Electro-optic and opto-optic effects in liquid crystal waveguides", SPIE, 3800, 112 (1999).

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       F.Castaldo, G.Abbate, E.Santamato "Full Vectorial Beam Propagation Method in anisotropic and non homogeneous media", Conference OPTOELETRONICS '99- INTEGRATED OPTIC DEVICES II, January 23/29 1999, San José California, invited talk.

2)       G. Abbate, P. Mormile, L. Petti, G.C. Righini, L. Sirleto "Integrated optical devices based on liquid crystal waveguides", Conference OPTOELETRONICS '99- INTEGRATED OPTIC DEVICES II, January 23/29 1999, San José California.

3)       M. Warenghem, J.F. Henninot, G.Abbate, "Optical soliton in a liquid crystal filled capillary", IEE electronics and Communications colloqium, "optical solitons", 4 february 1999, Savoy Palace, London,UK; published in the Proceedings as: "Observation of a spatial soliton in nematic liquid crystal confined in a cylindrical geometry", IEEE Colloquium on Optical Solitons (Ref no. 1999/016) 3/1-3/5 (1999)

4)       D. S. Hermann, F. De Marco, G. Abbate, L. Sirleto, G.C. Righini, "Electro-optic modulation of light by a planar waveguide based on ferroelectric liquid crystals", European Conference on Liquid Crystals, ECLC99, Hersonissos-Crete, Greece, April 25-30 1999

5)       M.Warenghem, JF Henninot, F. Derrien, G. Abbate, "Propagation of gaussian beams in dye doped liquid crystals : experimental observation of specific modes", Noma'99 Meeting, Cetraro(CS)-Italy, June 1999.

6)       G.Abbate, IV Seminário Ibero-Americano em Tecnologia de Mostradores de Cristal Líquido e II Curso Ibero-Americano de Mostradores de Cristal Líquido, Havana - Cuba, 12 a 16 de julho de 1999, invited talk. 

7)       G. Abbate, J. M. Otòn, "Liquid crystals based photonic devices: LC Photonet", EUROMAT 99, 27-30 September 1999, Munich (Germany), invited presentation.

8)       G. Scalia, D. S. Hermann, F. De Marco, G. Abbate, "Electro-optic and Opto-optic Effects in a Liquid Crystal Waveguide" SPIE's  44th Annual Meeting & Exhibition, Denver (USA), July 19th-23rd 1999, invited talk.

9)       G. Scalia, D. S. Hermann, G. Abbate and M. Lindgren, "Electro-Optic Switching Dynamics of FLCs in a Planar Waveguide for Integrated Optics", FLC-99, August 29 -September 3, Darmstadt (Germany).

10)    G. Scalia, D. S. Hermann, G. Abbate, "Analysis of the electro-optic switching of planar waveguide based on ferroelectric liquid crystals", Optics of Liquid Crystals OLC 99, Puerto Rico, September 26th-30th 1999.

11)    M. Warenghem, J.F. Henninot, F. Derrien, G. Abbate, "Thermal and orientational 2D+1 spatial optical solitons in dye doped liquid crystals",  Optics of Liquid Crystals OLC 99, Puerto Rico, September 26th-30th 1999.

12)    G. Scalia, D. S. Hermann, M. Lindgren, G. Abbate, "Electro-optic switching dynamics of FLCs in a planar waveguide for integrated optics", FLC-99 Darmstadt (Germany) Aug. 29th - Sept. 3rd 1999.

13)    J.F. Henninot, F. Derrien, M. Warenghem, G. Abbate, "Some waveguide considerations concerning the observation of a spatial soliton in dye-doped nematic liquid crystal", Workshop on Applications of nonlinear optical phenomena, Amalfi (Italy) October 6th- 10th 1999.

 

Comunicazioni a congressi nazionali:

1)       M. Warenghem, J.F. Henninot, F. Derrien, M. Debailleul, M. Warenghem, M. Douay, A. Kurkhov, L. Rivoallan, G. Abbate, "Optical fibers and  liquid crystals: selective transmission and soliton propagation", SILC'99, Workshop of the Italian Liquid Crystal Society on Applications of Liquid Crystals, Ancona 23-26 giugno 1999

2)       G. Abbate "Photonics and non-display applications of liquid crystals ", Workshop of the Italian Liquid Crystal Society on Applications of Liquid Crystals, Ancona 23-26 giugno 1999

3)       G.Abbate "Fast optical switches in liquid crystal based integrated devices", relazione finale PAIS Sez. A INFM, INFMeeting, Catania 14-18 giugno 1999

 

 

 

CARATTERIZZAZIONE OTTICA DI MATERIALI COMPOSITI

F.Bloisi, L.Vicari

 

Attivita` 1999

L’attivita` di ricerca condotta presso il Laboratorio di Ottica Applicata (LOA) riguarda (a) lo studio dei fenomeni di orientazione e di riorientazione molecolare (termica, elettrica, ottica) in dispositivi basati su cristalli liquidi nematici e (b) la caratterizzazione ottica di fluidi complessi (microemulsioni).

a) Cristalli liquidi

I cristalli liquidi (LC: Liquid Crystals) sono materiali che mostrano una o piu` mesofasi in cui hanno proprieta` intermedie tra quelle di cristallo e quelle di un liquido isotropo: l’ordine posizionale e` quasi totalmente assente mentre si osserva un parziale ordine orientazionale. I cristalli liquidi sono ampiamente utilizzati in dispositivi elettro-ottici a causa della loro notevole anisotropia, sia elettrica che ottica. Le proprieta` ottiche di un cristallo liquido nella mesofase nematica possono pertanto essere facilmente controllate tramite un campo elettrico (sia quasistatico che ottico).

L’orientazione delle molecole di un cristallo liquido risente fortemente dell’allineamento indotto, mediante opportuni trattamenti, dalle superfici che racchiudono il campione. Se le orientazioni indotte dalle superfici della cella non sono uguali si hanno allineamenti non uniformi. Abbiamo proposto e studiato una cella a cristallo liquido in cui si induce allineamento planare forte su di una faccia, mentre si ha una interazione molto debole con la faccia opposta (FAN: Free Aligned Nematic). Abbiamo dimostrato teoricamente che l’applicazione di un campo quasi-statico trasversale causa una transizione di Fréedericksz, e che, dopo la transizione la cella si comporta come una cella twisted con angolo di twist che dipende dal campo applicato. Misure sperimentali preliminari confermano tale effetto.

Un PDLC e` un materiale composito costituito da microgocce (0.1-100mm) di cristallo liquido immerse in um film polimerico. Un PDLC combina le proprieta` meccaniche di un film polimerico (flessibilita`, resistenza meccanica) con le proprieta` elettro-ottiche di un cristallo liquido (forte anisotropia elettrica ed ottica). L’effetto piu` evidente e` la loro risposta all’applicazione di un campo elettrico: da opalescente, lattiginoso il film di PDLC diviene quasi perfettamente trasparente. Per le loro proprieta` elettro-ottiche molto particolari i PDLC sono utilizzati in molte applicazioni tra cui interruttori ottici, modulatori spaziali di luce o mezzi per registrare informazioni di tipo olografico (reticoli di volume). Abbiamo studiato il problema di sviluppare un modello in grado di descrivere il comportamento elettro-ottico di un film di PDLC ed abbiamo utilizzato il nostro modello ad approccio macroscopico (MA) per esaminare il comportamento di un modulatore di intensita` luminosa (PDLC/LM: PDLC based Light Modulator), di un polarizzatore opto-elettronico (PDLC/OP: PDLC based Optoelectronic Polarizer), e per fare una analisi parametrica del comportamento di un film di PDLC.

Abbiamo inoltre proposto e studiato un nuovo tipo di dispositivo (PoLiCryst: Polimer-Liquid Crystal) realizzato frapponendo un sottile strato di cristallo iquido nematico tra due film polimerici con superfici scabre. Tale dispositivo ha un comportamento simile a quello di un film di PDLC. Abbiamo studiato sperimentalmente le proprieta` ottiche del PoLiCryst in funzione della temperatura e del campo elettrico applicato. Una analisi quantitativa preliminare e` stata fatta utilizzando il modello MA originariamente sviluppato per lo studio dei PDLC.

b) Fluidi complessi / microemulsioni

Le microemulsioni w/o (Water in Oil) sono molto importanti nello studio del comportamento di miscele binarie in quanto sono costituite essenzialmente da microsfere di acqua rivestite da uno strato monomolecolare (surfattante) immerse in un mezzo continuo (olio). La microemulsione WAD (water/AOT/decane) e` particolarmente interessante in quanto, per opportuni valori della concentrazione ed a

 

Programma 2000

Prevediamo di proseguire l’attivita` di ricerca sulla caratterizzazione ottica sia per i cristalli liquidi che per i fluidi complessi.

a) Cristalli liquidi

Proseguiremo nello studio sperimentale e teorico del comportamento elettro-ottico di dispositivi basati sull’uso di cristalli liquidi, di PDLC e di PoLiCryst.

b) Fluidi complessi / microemulsioni

Proseguiremo nello studio delle proprieta` ottiche nonlineari della microemulsione WAD in prossimità della soglia di percolazione.

   

Pubblicazioni

1)       L.Vicari. Twist molecular orientation transition in a nematic liquid crystal cell. Liq. Cryst. 26, 1837-1840 (1999)

2)      F.Bloisi, L.Vicari. Optically induced variations of the electrical conductivity of a water in oil microemulsion near the percolation threshold. Philos. Mag. B 79, 2005-2011 (1999)]

3)       F.Bloisi, L.Vicari. The Macroscopic Approach model and the Electro-Optical Properties of Polymer Dispersed Liquid Crystals. Recent Res. Devel. Macromol. Res. 4, 113-127 (1999)

4)       L.Vicari. Self-focusing in microemulsions. 18th congress of the International Commission for Optics - San Francisco, CA, August 1999 -. SPIE 3749, 524

5)       L.Vicari. Liquid-crystal layer between rough polymeric surfaces. J. Opt. Soc. Am. B 16, 1135-1138 (1999)]

   

GENERAZIONE DI RADIAZIONE VUV e XUV

C. Altucci*, R. Bruzzese, C. de Lisio e S. Solimeno

 

Attività 1999

Da diversi anni il gruppo di ricerca è impegnato nell'utilizzo di sorgenti laser, operanti nella zona spettrale del vicino IR, in grado di emettere impulsi di durata molto breve (<100 fsec) e, opportunamente focalizzati, di intensità molto elevata (1012-1015 W/cm2) per generare armoniche di ordine elevato (dalla 3a alla 99a) della fondamentale laser in un fascetto atomico pulsato di gas raro (tipicamente Xe, Ar o Ne).  E' così possibile implementare una sorgente di radiazione in una zona spettrale (200-10 nm) di difficile accesso con sorgenti di radiazione "da laboratorio", e con caratteristiche molto interessanti quali: elevato grado di coerenza spaziale e temporale, durata molto breve degli impulsi di radiazione (<100 fsec), elevata potenza di picco, accordabilità in frequenza nella zona spettrale 200-30 nm, elevata cadenza di ripetizione (500 Hz). In particolare, nel 1999 è stata sperimentata con successo la possibilità di accordare con continuità la radiazione armonica generata con impulsi di pompa da 25 fs nella zona spettrale XUV 20-8 nm.

Sono state anche sperimentate geometrie innovative di pompaggio del fascio gassoso, basate sull’utilizzazione di fasci laser del tipo Bessel-Gauss, per migliorare l’efficienza complessiva del processo. Infine, è stato realizzato un esperimento per la caratterizzazione della funzione dielettrica e(w) del silicio poroso nella regione VUV. L’esperimento ha utilizzato come sorgente di radiazione le armoniche del laser a Ti:Sa fino a circa 70 nm.

 

Programma 2000

Il programma di ricerca per il 2000 prevede il proseguimento delle collaborazioni con i gruppi universitari del Politecnico di Milano e dell’Università di Padova, nell’ambito di un Progetto di Ricerca Avanzata dell’I.N.F.M. sulla generazione di armoniche con sorgenti laser ultracorte. Sono previsti esperimenti atti ad investigare il processo di generazione di armoniche con l’impiego di una sorgente laser in grado di emettere impulsi estremamente corti (inferiori a 10 fs) per evidenziare gli effetti non adiabatici nell’interazione atomo-campo ultraintenso. Si continueranno anche, a Napoli, esperimenti di generazione di armoniche con fasci di Gauss-Bessel, accordando la radiazione laser di pompa in zone spettrali di dispersione anomala per il gas nobile bersaglio (in particolare Xe).  Questo dovrebbe condurre ad un’efficienza di conversione molto elevata. Parallelamente, proseguiranno le attività sperimentali sulle applicazioni delle armoniche allo studio di svariati materiali

 

Pubblicazioni

1)       C. Delfin, C. Altucci, , F. De Filippo, C. de Lisio, M. B. Gaarde, A. L’Huillier, L. Roos, and C.-G. Wahlström, “Influence of the medium length on high-order harmonic generation”, J.Phys.B, 32, 5397 (1999).

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O. Svelto, P. Ceccherini, L. Poletto, A. Boscolo, G. Tondello, P. Villoresi: “Generation of tunable and coherent radiation in the XUV and soft-X-ray using high-order-harmonics”, Ultraintense Laser Interactions and Applications-1, Elounda, Crete, Greece, May 7-11, 1999.

2)      C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O. Svelto, P. Ceccherini, L. Poletto, A. Boscolo, G. Tondello, P. Villoresi: “High-Order harmonic generation: a comparison between 30 fs and sub-10 fs regimes”, Workshop On Applications Of Nonlinear Optical Phenomena And Related Industrial Perspectives, 2nd Annual Meeting of the COST Action P2, Amalfi, Italy, October 6th-9th, 1999.

 

 

Ottica nonlineare per lo studio di superfici

L. Marrucci, D. Paparo *, E. Santamato

 

Attività 1999

Nel corso del 1999 è stata avviata una nuova attività di fisica delle superfici basata sulla tecnica ottica nonlineare di generazione di luce di seconda armonica (SHG). Questa ricerca si è sviluppata in sinergia con le attività di tipo applicativo svolte nell'ambito del Centro Metodologie Ottiche (progetto sud INFM - responsabile prof. Salvatore Solimeno). In particolare, è stato messo a punto un apparato di generazione di luce di seconda armonica da superfici basato su un laser al Titanio-zaffiro amplificato. Con questo apparato, abbiamo svolto una misura diretta, in situ, dell'isoterma di adsorbimento di un tensioattivo cationico su uno strato di ossido di titanio in soluzione acquosa, al crescere della concentrazione. Questa misura costituisce il punto di partenza per l'avvio di una serie di indagini su fenomeni di adsorbimento di tensioattivi, e più in generale su fenomeni di fisica delle superfici "reali", ossia non sotto vuoto e in presenza di impurezze.

 

Programma 2000

Nel 2000 si intende procedere su due linee. La prima riguarda lo studio del fenomeno della lubrificazione a strato limite, utilizzando la tecnica SHG per rivelare le molecole polari di lubrificante adsorbite sulle superfici solide a contatto e le modificazioni che si inducono sotto l’effetto di vari agenti elettrici e meccanici. La seconda consiste nello studio degli stati di aggregazione  di film di Langmuir sempre con la tecnica SHG, unita a tecniche ordinarie di misura della tensione superificiale. In particolare si vogliono studiare tensioattivi nuovi (ad esempio i cosiddetti “gemini”), sintetizzati dal gruppo di Chimica Organica dell’Università di Torino, con cui è in corso una collaborazione

 

 

OTTICA NONLINEARE NEI CRISTALLI LIQUIDI

L. Marrucci, D. Paparo* , B. Piccirillo*, E. Santamato,, A.Vella*

 

Attività 1999

Nel 1999 l'attività del gruppo di ricerca è stata incentrata su tre linee principali

a) Miscele di cristalli liquidi e coloranti organici (dye)

L'effetto Jánossy consiste nell'amplificazione del momento torcente ottico esercitato da un fascio laser sulle molecole di un cristallo liquido in presenza di assorbimento. L'origine fisica del fenomeno è molecolare ed è dovuta alla anisotropia creata dall'assorbimento della luce nelle popolazioni di molecole nello stato eccitato e fondamentale. Sebbene l'effetto Jánossy sia previsto in tutti i liquidi assorbenti costituiti da molecole anisotrope, esso è stato studiato finora solo in miscele tra cristalli liquidi e coloranti organici (dye). Nel nostro laboratorio (vedi relazione 1998), è stato avviato un programma di misure su una serie omologa di dye basati sull’antrachinone, disciolti in un nematico. Si è così potuto evidenziare che piccoli gruppi aggiunti al corpo dell’antrachinone possono dar luogo a fortissime differenze nell’effetto Jánossy osservato. Ad esempio, il gruppo ammino (NH3) produce un’amplificazione positiva, il gruppo carbonile (C2H3) un’amplificazione negativa e il gruppo ossidrile (OH) nessuna amplificazione. Per una più completa comprensione di questo interessante effetto si rendono evidentemente necessari studi ulteriori sia sperimentali che teorici, basati essenzialmente su modelli molecolari numerici ab initio.

 

b) Riorientazione ottica dei cristalli liquidi

Quando un fascio laser linearmente polarizzato si propaga in un cristallo liquido, le molecole del mezzo si riorientano nella direzione del  campo ottico. Nell’esperimento fatto nel nostro laboratorio nel 1997 abbiamo mostrato che la riorientazione avviene anche in presenza di luce non polarizata. Se la sezione del fascio è circolare, abbiamo dimostrato che l’angolo azimutale del direttore molecolare del cristallo liquido resta effettivamente indeterminato durante la riorientazione, comportandosi come “modo di Goldstone” del sistema. Abbiamo anche osservato che tale angolo è sensibile alle correlazioni temporali d’ordine superiore nella polarizzazione del campo ottico, permettendo così di distinguere, in principio, tra le diverse specie di luce non polarizzata. Ci si aspetta quindi che l’angolo azimutale sia sensibile a ogni rottura di simmetria, come, per esempio, una forma del fascio non perfettamente circolare. Alla luce di questi risultati, abbiamo montato un esperimento per controllare l’effetto indotto dalla forma del fascio laser sul processo di riorientazione, effettuando misure sia in luce depolarizzata che polarizzata linearmente. Gli esperimenti hanno mostrato l’esistenza di un momento torcente in più, diretto lungo l’asse del fascio laser, legato alla ellitticità del profilo del fascio stesso. Tale momento è tutt’altro che trascurabile e, in geometrie lontane dalla simmetria cilindrica, può produrre effetti rilevanti. È possibile dimostrare che l’origine fisica di tale momento torcente è il trasferimento di momento angolare orbitale dalla luce al mezzo. Quando il fascio è polarizzato, la luce trasferisce sia momento orbitale che intrinseco e si genera una sorta di competizione, che, in condizioni opportune, può dar luogo a dinamiche complesse e, probabilmente caotiche.

 

c) Caos deterministico e oscillazioni nonlineari

Quando si induce la riorientazione ottica in un film di cristallo liquido usando un fascio laser incidente a piccolo angolo (circa 5°) e polarizzato TE, si osserva, per intensità superiori ad una soglia critica, l’instaurarsi di oscillazioni regolari nel moto del direttore molecolare. Quando l’intensità del fascio incidente supera una seconda soglia critica, tali oscillazioni diventano irregolari, acquistando un carattere caotico. Nel 1997 abbiamo studiato, impiegando un apparato sperimentale innovativo, l’occorrenza di intermittenza e caos deterministico in tale configurazione sperimentale e abbiamo sviluppato un modello teorico originale per spiegare il fenomeno. Nel caso di incidenza normale e polarizzazione lineare, il fenomeno, però, non si verifica. Per analizzare questi fenomeni si è sviluppato un modello modale che riduce il problema allo studio dell’andamento temporale dei tre gradi di libertà fondamentali della distorsione elastica del sistema: splay-bend, torsione e rotazione attorno all’asse del fascio laser incidente.

 

Programma 2000

Nel 2000 si proseguirà lo studio dell’effetto Jánossy, estendendolo ad altre famiglie di dye. In particolare, si studieranno gli azo-dye, che, a differenza degli antrachinoni, possono subire transizioni conformazionali fotoindotte.

 

Sul fronte della riorientazione ottica indotta nei cristalli liquidi, si inizierà un programma di misure accurate per determinare il ruolo del momento orbitale ed intrinseco della luce nel processo di riorientazione con fasci laser di profilo ellittico. In particolare si analizzeranno i dati delle dinamiche complesse osservate durante la competizione tra i due tipi di trasferimento di momento angolare per determinare la “via al caos”.

Si porterà a termine, infine, l’analisi numerica dei modelli proposti per la riorientazione ottica con luce ad incidenza obliqua e di polarizzazione qualunque, con l’obiettivo di studiare l’eventuale “via al caos” .

   

Pubblicazioni

1)       Paparo, F. Castaldo, E. Santamato, “Pattern formation in a self-defocusing Kerr-like film with single feedback mirror”, Chaos, Solitons & Fractals, 10, 661 (1999)

2)       D. Paparo, L. Marrucci, G. Abbate, E. Santamato, M. Kreuzer, P. Lehnert, T. Vogeler, "Molecular-field-enhanced optical Kerr effect in absorbing liquids", Highlights INFM 1996-97, 11 (1999).

3)       E. Santamato, G. Abbate, P. Maddalena, L. Marrucci, D. Paparo, B. Piccirillo, ``Dynamical regimes and motion intermittence induced by a laser beam in a nematic liquid crystal film'', Mol. Cryst. Liq. Cryst., 328, 479 (1999).

4)       L. Marrucci, F. Vetrano, E. Santamato, ``Optical reorientation in nematic liquid crystals controlled by the laser beam shape'', Opt. Commun.\/, 171, 131 (1999).

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       D. Paparo (relazione su invito), “Photoinduced order and reorientation in absorbing liquids and liquid crystals”, Novel Optical Materials and Applications 1999, Cetraro (Italia), Giugno 4-10 1999

2)       M. Kreuzer, L. Marrucci, D. Paparo, “Photoinduced modifications on kinetic molecular properties: Enhancement of optical nonlinearities and molecular motors in dye-doped liquid crystals”, 8th Int. Top. Meeting on Optics of Liquid Crystals (OLC'99), Puerto Rico, 26 Settembre-1 Ottobre 1999.

3)       V. S. U. Fazio, D. Paparo, L. Marrucci, L. Komitov, E. Santamato, “Second-harmonic Generation Studies of Alignment Dynamics of Nematic Liquid Crystals”, 8th Int. Top. Meeting on Optics of Liquid Crystals (OLC'99), Puerto Rico, 26 Settembre - 1 Ottobre 1999.

4)       L. Marrucci, D. Paparo, R. Vetrano and E. Santamato, “Experimental study of the amplification of the optical Kerr effect in mixtures of liquid crystals with homologous substitutes of anthraquinone dyes”, Workshop on applications of nonlinear optical phenomena and related industrial Perspectives, Amalfi, Ottobre 6 - 9 1999

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)       D. Paparo (relazione su invito), “Ordine orientazionale indotto dalla luce in liquidi e cristalli liquidi assorbenti”,  LXXXV Congresso Nazionale Società Italiana di Fisica, Pavia (Italia), Settembre 20-24 1999.

 

 

SPETTROSCOPIA LASER AD ELEVATA RISOLUZIONE E SENSIBILITA'

G. Gagliardi*, L.Gianfrani*, L.Moretti*, G.Pesce*, G.Rusciano*, A.Sasso

 

Attività 1999

L’attività svolta nel corso del 1999 ha riguardato le seguenti linee di ricerca.

 

- Fisica delle collisioni

Come è ben noto, lo studio di forme di righe consente di ottenere numerose ed interessanti informazioni sulla fisica delle collisioni. Nell’ambito di questa tematica sono state investigate numerose transizioni di molecole semplici come, ad esempio, NO2, H2O, CO, CO2. In particolare, uno studio dettagliato è stato effettuato su transizioni roto-vibrazionali del vapore acqueo nella regione spettrale intorno a 1.39 mm utilizzando come sorgente laser un laser a diodo del tipo DFB. Le misure hanno riguardato sia lo spostamento di riga per collisioni che l’allargamento indotte da altre specie molecolari come O2 e N2. Sono state prese in esame righe della molecola d’acqua e delle sue specie isotopiche (H217O, H218O) al variare del numero quantico principale.

Per le misure di shift per pressione è stata messo a punto una accurata tecnica basata sull’introduzione di bande laterali  sulla frequenza portante del laser a diodo mediante un modulatore elettro-ottico.

L’analisi delle forme di riga è stato effettuato utilizzando come profilo teorico un profilo di Voigt. Per molte delle righe investigate quest’analisi ha fornito un buon accordo sia con i dati sperimentali che con le previsioni teoriche. Tuttavia, per alcune transizioni caratterizzate da numeri quantici rotazionali elevati, per le quali l’allargamento collisionale è ridotto, sono stati osservate forme di riga discostanti dal profilo di Voigt. Tali discrepanze sono state attribuite a fenomeni di restringimento di riga (Dicke narrowing) e i relativi profili sono stati analizzati con funzioni ottenute dalla teoria della diffusione.

- Generazione di radiazione nel medio IR per esperimenti di spettroscopia molecolare

Nel corso dello scorso anno è stata avviata la realizzazione di un apparto per spettroscopia molecolare ad elevatissima sensibilità basato sull’utilizzo di radiazione nel medio infrarosso generata mediante un processo di ottica non lineare che va sotto il nome di frequenza differenza.

L’interesse per questa regione spettrale risiede nel fatto che molte specie molecolari presentano bande di assorbimento dei modi vibrazionali fondamentali proprio tra 3 e 10 micron. Al contrario, le transizioni accessibili con i diodi laser nel vicino infrarosso corrispondono a transizioni di sovratono o di combinazione che risultano alcuni ordini di grandezza più deboli rispetto alle transizioni vibrazionali fondamentali.

L’ apparato per la generazione di radiazione coerente nel medio IR è basato sull’utilizzo di un laser a Nd-YAG (P=500 mW) e un laser a diodo a 780 nm (P=10 mW)mentre come  cristallo non lineare si utilizza un cristallo Periodically Poled (niobato di litio).

 Lo scopo di questa attività è mirato ad uno studio spettroscopico ad elevata sensibilità e risoluzione di transizioni roto-vibrazionali dei modi vibrazionali fondamentali di molecole come H2O e OH.

 

- Spettroscopia molecolare mediante cavità Fabry-Perot ad elevata finesse

Nell’ambito di questa tematica, utilizzando una cavità Fabry-Pérot di finesse 500 e un laser a diodo di bassa potenza, è stato possibile saturare la transizione 212->111 della banda vibrazionale n1+n3 della molecola d’acqua ad una lunghezza d’onda di 1393 nm.

E’ stato realizzato un sistema di aggancio ottico-elettronico che ha consentito di agganciare la frequenza del laser a quella della cavità Fabry-Perot.

 

Programma 2000

La generazione di radiazione coerente nella regione spettrale del medio infrarosso mediante la difference frequency generation costituirà una delle principali attività nel corso del 2000. Tale radiazione sarà generata a partire da sorgenti laser a stato solido e laser a coloranti realizzando la condizione di phase matching con cristalli periodically poled. La radiazione così generata sarà utilizzata sia per esperimenti di fisica molecolare ad elevata sensibilità che per lo studio di spettri molecolari ed atomici in  assenza di allargamento Doppler (alta risoluzione). Inoltre saranno investigati fenomeni di restringimento di riga utilizzando come gas perturbatori specie atomiche e molecolari con massa maggiore e minore della massa della molecola attiva (H2O) per meglio esplorare i vari regimi di collisioni “soft” e “hard” e per comprendere meglio il ruolo delle interazioni inter-molecolari.

Una seconda attività in fase di avvio riguarda poi la realizzazione di un sistema di pinzette ottiche per la manipolazione di particelle microscopiche e per la spettroscopia di singola molecola.

 

Pubblicazioni

1)       G.D’Amico, G.Pesce and A.Sasso “Field shift analysis of visible and near infrared argon transitions” J.Opt. Soc. Am. B 16, 1033 (1999).

2)       G.D’Amico, G.Pesce and A.Sasso “Isotope shift and hyperfine constant measurements of near infrared xenon transitions in glow discharges and on a metastable Xe(3P2) beam”, Phys. Rev. A, 60, 1 (1999)

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       G.D’Amico, G.Pesce, A.Sasso: “Doppler-free spectroscopy of noble gases atoms by diode lasers”, 1th Atomic Physics and Accelerators Conference, Laser Spectroscopy and Applications, Mainz, Sept. 1999

2)       L. Gianfrani, G. Gagliardi, G. Rusciano, and A. Sasso: “Frequency noise reduction of a DFB diode laser at 1393 nm”, Proceedings of the International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations, Napoli, 25-29 maggio 1999.

3)       G.D’Amico, G.Pesce, A.Sasso: “Doppler-free spectroscopy of noble gases atoms by diode lasers”, 1th Atomic Physics and Accelerators Conference, Laser Spectroscopy and Applications, Mainz, Sept. 1999.

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)      L.Moretti, L.Gianfrani, G.Gagliardi, A.Sasso: “Pressure effects in the near-IR spectrum of water vapour”, Atti del Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Catania, 14-18 giugno 1999.

2)      G.Gagliardi, L.Gianfrani, G.Rusciano, A.Sasso: “Frequency stabilization of a 1.4 micron DFB diode laser and sub-Doppler spectroscopy of water vapour”, Atti del Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Catania, 14-18 giugno 1999.

 

 

OTTICA QUANTISTICA

M. Fiorentino *, A. Porzio * , S. Solimeno

 

Attività 1999

1) Generazione, caratterizzazione ed applicazione di radiazione non classica

Attualmente sono operanti a Napoli due cw OPO atti a generare diversi tipi di stato non classico.

Il primo consta di un cristallo di Niobato di Litio (phase matching non critico di tipo I) ed è utilizzato per la generazione di radiazione squeezed da vuoto in configurazione degenere ed in triplice risonanza. Su questo sistema è in corso di messa a punto la tecnica di tomografia quantistica.

Nel corso del 1999 il sistema è stato portato sopra soglia di oscillazione in modo da poter controllare in maniera opportuna il grado di squeezing prodotto. E' stata  effettuata una misura indiretta del grado di squeezing ed è stata messa a punto la routine numerica per l'analisi dati in vista della ricostruzione tomografica della funzione di Wigner per lo stato prodotto. E' stato inoltre progettato un sistema che consenta di separare con grande efficienza i fasci gemelli prodotti in prossimità della degenerazione in modo da poterne evidenziare le proprietà di correlazione.

Il secondo è basato su di un cristallo di KTP (phase matching di tipo II) e genera fasci gemelli cross-polarized.

Questo sistema, completamente progettato e realizzato nel corso del 1999, presenta una soglia particolarmente bassa (<12mW) e emissione stabile al disotto del 2% (su tempi di alcuni minuti) alle frequenze del segnale e dell'idler. Sono state effettuate misure accurate della correlazione tra i due fasci gemelli generati in diverse condizioni sperimentali ed il grado di correlazione misurato tra i fasci gemelli è in pieno accordo con i valori attesi.

Nel corso del 1999 componenti del gruppo hanno collaborato con l'INO di Firenze per la realizzazione di misure tomografie su radiazione prodotta da un diodo laser (M. (Fiorentino et al. "Self homodyne tomography of a diode laser" to be pubblished on Journal of Optics B Aprile 2000) e con l'Università dello Shanxi in Cina per un esperimento di quantum non demolition. (Hai Wang, A. Porzio et al. "Experimental realization of a quantum measurement for intensity difference fluctuation using a beam-splitter" PRL 82:1414 (1999); A. Porzio et al. "QND-like" quantum measurement of intensity difference fluctuation" submitted to Journal of Optics B).

La comunicazione dei risultati dell'esperimento di quantum non demolition al congresso annuale della SIF da parte di A. Porzio è stata premiata quale migliore comunicazione per l'area di Struttura della Materia.

Entrambi i succitati lavori sono stati presentati alla sesta Conferenza Internazionale su stati Squeezed e Relazioni di Indeterminazione che si è svolta a Napoli, presso le aule dei centri comuni del complesso di Monte Sant'Angelo, dal 24 al 29 Maggio 1999. Questa conferenza è stata organizzata dal gruppo in collaborazione con altri docenti e ricercatori del Dipartimento ed ha visto riuniti più di 200 scienziati da più di 30 paesi diversi.

2) Cavità a specchi piani e paralleli per misure ad elevata sensibilità

Il gruppo collabora con l'INFN di Pisa per la realizzazione di un interferometro Fabry-Perot a specchi piani e paralleli atto a misurare il rumore termico di uno specchio sospeso.

La collaborazione per ora ha visto un componente del gruppo lavorare alla stabilizzazione in frequenza del laser da adoperare nell'apparato e lo studio del comportamento di queste particolari cavità ottica illuminate da fasci Gaussiani effettuando sia un'analisi classica che quantistica del sistema e verificando sperimentalmente i previsti risultati sui profili di trasmissione.  (P. La Penna et al. Transmittivity Profile of high finesse plane parallel Fabry-Perot cavities illuminated by Gaussian beams, Opt. Comm. 162: 267 (1999); Benabid et al. "The low frequency facility, R&D experiment of the Virgo project" to be pubblished on Journal of Optics B Aprile 2000).

Nel corso del 1999 è stato avviato l'approfondimento delle problematiche relative alla descrizione del moto Browniano di oscillatori meccanici a bassa frequenza mediante una Master equation di Linblad nella forma indicata da Diosi, i cui risultati preliminari sono stati presentati alla VI ICSSUR. La trattazione quantistica di questi sistemi richiede un modellizzazione particolarmente complessa per poter tener conto dell'accoppiamento dei modi e.m. della cavità con i modi meccanici dello specchio.

3) Proprietà della radiazione di fluorescenza in processi di laser cooling

Ultimamente il gruppo ha cominciato ad occuparsi, con studi teorici, della descrizione di sistemi di ioni intrappolati. In particolare sta affrontando lo studio delle proprietà della radiazione emessa per fluorescenza da tali sistemi e le proprietà quantistiche degli stati generati. (S. Solimeno et al., "Trapped ions in laser fields: a benchmark for deformed quantum oscillators", submitted to Phys. Rev. A).

 

Programma 2000

Nel corso dell'anno 2000 si prevede di completare la caratterizzazione della sorgente di radiazione squeezed da vuoto, l'OPO basato su LiNbO3, portando avanti l’analisi del segnale prodotto in diversi condizioni di lavoro e controllandone i parametri per poter seguire l'evoluzione del grado di squeezing in prossimità della soglia. La caratterizzazione prevede l'uso di tecniche tomografiche per la ricostruzione della funzione di Wigner.

Inoltre pompando l'OPO sopra soglia generando fasci gemelli che saranno separati con l'aiuto di un reticolo di diffrazione per misurarne il grado di correlazione in vicinanza della degenerazione.

Parallelamente, per quel che riguarda l'OPO basato su di un cristallo di KTP, verrano portate a termine le misure in corso per una completa caratterizzazione dei fenomeni di riduzione del rumore quantistico in questi dispositivi.

Inoltre si continuerà a collaborare con l'INFN di Pisa nell'ambito del progetto LFF, approfondendo le problematiche relative alla descrizione del moto Browniano di oscillatori meccanici a bassa frequenza mediante una Master equation di Linblad nella forma indicata da Diosi. In particolare si pensa di passare ad una fase di simulazione numerica che consenta di valutare in maniera più dettagliata l'accoppiamento tra i modi e.m. della cavità con i modi di vibrazione della superfice dello specchio. La comprensione del fenomeno di accoppiamento darà la possibilità di valutare l'effettiva sensibilità raggiungibile con questi dispositivi.

Inoltre il lavoro di studio dei sistemi a multiple entanglement verrà portato avanti con cocchio rivolto ai possibili sviluppi nel campo della computazione quantistica.

 

Pubblicazioni

1)       Hai Wang,Yun Zhang, Qing Pan, Hong Su, A. Porzio, Changde Xie and, Kunchi Peng. ''Experimental Realization of a quantum measurement for intensity difference fluctuation using a beam splitter'', Phys. Rev. Lett., 82:1414, 1999.

2)       P. La Penna, A. Di Virgilio, M. Fiorentino, A. Porzio, and S. Solimeno “Transmittivity profile of high finesse PPFP cavities illuminated by gaussian beams Optics Communications, 162:267-279 (1999)  

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       M. Fiorentino, A. Porzio and S. Solimeno, P. La Penna and A. Di Virgilio "Quantum Treatment of Suspended PPFP Cavities in Presence of Mirror Thermal Noise" Rencontres de Moriond ed. La Reserche (1999) (invited contribution)

2)       Porzio, M. Fiorentino, and S. Solimeno "Position measurement of a suspended cavity mirror undergoing Brownian motion" presented to the Sixth international Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations Napoli May '99

3)      Kunchi Peng, Hai Wang,Yun Zhang, Qing Pan, Hong Su, A. Porzio, Changde Xie "Generation and Application of High Quantum Correlated Twin Beams" presented to the Sixth international Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations Napoli May '99

4)       M. Fiorentino, A. Conti, G. Giacomelli, A. Zavatta and F. Marin "Self Homodyne Tomography of a laser diode" presented to the Sixth international Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations Napoli May '99

5)       M. Fiorentino, A. Porzio and S. Solimeno, P. La Penna and A. Di Virgilio "Quantum Treatment of Suspended PPFP Cavities in Presence of Mirror Thermal Noise" Rencontres de Moriond Gennaio 1999 (invited contribution)

6)       Porzio, M. Fiorentino, and S. Solimeno "Position measurement of a suspended cavity mirror undergoing Brownian motion"Sixth international Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations Napoli May '99

7)       Kunchi Peng, Hai Wang,Yun Zhang, Qing Pan, Hong Su, A. Porzio, Changde Xie "Generation and Application of High Quantum Correlated Twin Beams" presented to the Sixth international Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations Napoli May '99

8)       M. Fiorentino, A. Conti, G. Giacomelli, A. Zavatta and F. Marin "Self Homodyne Tomography of a laser diode" presented to the Sixth international Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations Napoli May '99

9)       S. Solimeno, F. Sciarrino, A. Porzio, M. Fiorentino, S. Gasparoni and M. Manzi, Amalfi '99 Workshop on Applications of Nonlinear Optical Phenomena and Related Industrial Perspectives - Amalfi Ottobre 1999 "Optical Nonlinearities in Quantum Optics"

 

Comunicazioni a congressi nazionali

·         Porzio, S. Solimeno, M. Fiorentino, C. Altucci and C. De Lisio, "Optical Wigner function reconstruction via Radon inverse transform" INFMeeting - Catania Giugno 1999

·         Porzio, K. Peng and C. Xie, SIF Conferenza Nazionale - Pavia Settembre 1999 "Misure quantistiche non-distruttive mediante fasci gemelli twin beams ". Comunicazione premiata quale migliore per la sezione di Fisica della Materia.

 

 

TECNICHE SPETTROSCOPICHE ED APPLICAZIONI ALLA BIOMEDICINA

I. Delfino*, R. Esposito*, M.D.Falco*, P.L. Indovina, A. Lauria*, M. Lepore*, R.Romano*, G.Urso*, F. Vigilante

 

a) Spettroscopia laser risolta temporalmente

Attività 1999

E’ proseguita l’attività nel campo dell’ottica biomedica con particolare riguardo all’uso a fini diagnostici della transilluminazione laser risolta temporalmente. Mediante tale tecnica sono state utilizzate immagini di vari fantocci con scansione di tipo lineare e sono stati implementati algoritmi di ricostruzione di vario tipo. Sono state effettuate anche misure di riflettanza risolte temporalmente su campioni diffondenti già esaminati con la tecnica della trasmittanza risolta temporalmente sia al fine di confrontare la validità delle varie tecniche di misura che per avere informazioni preliminari circa le scansioni tomografiche. E’ proseguita l’attività riguardante la messa a punto di un tomografo ottico per la sperimentazione clinica con la realizzazione delle parti meccaniche di movimentazione. Sono state condotte, inoltre, misure preliminari di fluorescenza su mezzi diffondenti con opportuni dyes sia in regime stazionario che dinamico. Sono stati, inoltre, ospitati ricercatori di altre strutture universitarie per lo svolgimento di indagini sperimentali di comune interesse. Sono state avviate collaborazioni scientifiche con l’Università di Firenze, l’University College di Londra e il National Institute of Health di Bethesda.

 

Programma 2000

Si intende proseguire l’attività di ricerca lungo le linee già indicate e riguardanti in particolare lo studio, mediante tecniche spettroscopiche risolte temporalmente, delle proprietà ottiche dei campioni fantoccio, qualità delle immagini ottenibile mediante transilluminazione risolta temporalmente, e lo sviluppo di algoritmi per la ricostruzione di tali immagini. Si intende, poi, proseguire lo studio delle proprietà di fluorescenza risolta temporalmente ponendo particolare attenzione alla messa a punto dell’apparato sperimentale.

 

b) Spettroscopia NMR

Nel corso dell’attività di ricerca, finalizzata allo studio dell’adesione cellulare mediante risonanza magnetica nucleare, per poter studiare l’interazione di campioni cellulari (cellule eritroleucemicheK562) fatte interagire con un biomateriale (polilisina: un poliamminoacido recante carica netta positiva), si è affrontato il problema del confronto spettri trattato - controllo. Per studiare l’interazione fra cellule con agenti fisici, chimici e biologici, è indispensabile, infatti, poter quantificare le eventuali variazioni indotte dal trattamento. Le stime quantitative vanno normalizzate alle concentrazioni di cellule in misura e ciò, oltre a richiedere la conoscenza del numero di cellule in misura, presuppone che la concentrazione di dette cellule sia, in misura, costante. Per i grossi errori sperimentali sulle concentrazioni cellulari (circa 30%) e per gli effetti incontrollabili di sedimentazione e morte cellulare, da un’analisi critica delle procedure ad oggi utilizzate, è nata l’esigenza della messa a punto di un metodo di normalizzazione fondato su di un algoritmo originale che consiste nella massimizzazione, mediante una misura a segno variabile, delle regioni di sovrapposizione fra uno spettro trattato ed uno di controllo.Questo nuovo metodo è stato applicato all’analisi dell’interazione di cellule eritroleucemiche K562 e polilisina. Il metodo ha permesso l’evidenziazione di importanti cambiamenti strutturali e funzionali nelle colture trattate. In seguito, si è posto il problema di una estensione agli spettri in vivo, spettri dalle caratteristiche diverse da quelle in vitro, per una applicazione alla medicina.  Tuttavia, per le caratteristiche degli spettri in vivo, è parso più opportuno iniziare lo studio della messa a punto di un nuovo algoritmo operante nel dominio del tempo. Questa attività è stata svolta in collaborazione con l'Istituto CNR di Arco Felice e l'Istituto Superiore di Sanità.

 

Programma 2000

L’obiettivo, senz’altro da raggiungere nel prosieguo delle attività, è quello di mettere a punto questo nuovo metodo applicabile alla spettroscopia in vivo, argomento sempre più attuale nella diagnostica medica.

   

Pubblicazioni

1)       I.Delfino, M.Lepore, P.L.Indovina, Experimental tests of different solutions to the diffusion equation for optical characterization of scattering media by time-resolved transmittance, Appl. Opt. 38 (19), 1-8 (1999)

2)       R. Romano, R. Lamanna,  M. T. Santini and P. L. Indovina “ A new Algorithm for NMR Spectral Normalization”, Journal of Magnetic Resenance,  138, 115-122  (1999)

3)       R. Lamanna, A. Motta, R. Romano et al., “ Forced adhesive growth of K562 leukemic cells that normally grow in suspension induces variations in membrane lipids and energy metabolism: A proton NMR study”, Journal of Biomedical Materials Research,  46(2):171-8 (1999)

4)       Santini, M.T., Rainaldi, G. and Indovina, P.L. Multicellular tumor spheroids in radiation biology. International Journal of Radiation Biology 75, 787-799. (1999)

5)       Lamanna, R., Motta, A., Romano, R., Rainaldi, G., Flamma, F., Pentimalli, M., Tancredi, T., Indovina, P.L. and Santini, M.T. Forced adhesive growth of K562 leukemic cells normally growing in suspension induces variations in membrane lipids and energy metabolism: A proton NMR study.  Journal of Biomedical Materials Research 46, 171-178. (1999)

6)       M.Lepore, I.Delfino, A.Ramaglia, P.L.Indovina, An experimental comparison between time-resolved transmittance and reflectance for optical characterization of scattering media”, Biological Imaging and Spectroscopy (BioS) January 23-30 1999, San Josè (USA), SPIE ,3597 , 414-421 (1999)

7)       Santini, M.T., Morelli, G., Floridi, A. and Indovina, P.L. The antioxidant n-acetylcysteine prevents the increase in the intracellular molecular oxygen concentration induced by menadione in K562 cells as measured directly by the EPR probe fusinite.  Physica Medica XV, 261-268. (1999)

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       I.Delfino, M.Lepore, P.L.Indovina, A.Ramaglia, “NIR  time-resolved spectroscopy in scattering and biological media”, 9th International Conference on Near-Infrared Spectroscopy, Verona (ITA) June, 13-18 1999

2)       R.Esposito, P.L.Indovina, A.Lauria, M.Lepore, “Evaluation of reconstruction algorithms efficiency by using image quality parameters”,  9th International Conference on Near-Infrared Spectroscopy, Verona (ITA) June, 13-18 1999

3)       M.Lepore, R.Esposito, A.Lauria, I.Delfino, G.Urso, “Image quality assessment in optical imaging by time-resolved laser transillumination”, CLEO Europe 1999, Munich (GER) June 13-16 1999

4)       I.Delfino, M.Lepore, P.L.Indovina “Different solutions to the diffusion equation for optical characterization of scattering media by time-resolved transmittance  VI Int. Conf. Medical Physics 

5)       Santini, M.T., Rainaldi, G., Romano, R., Motta, A., Arancia, G. and Indovina, P.L.  "The effects of ionizing radiation on A431 epithelial tumor cells grown in monolayer and as multicellular spheroids".  Eleventh International Congress of Radiation Research, Dublin, Ireland, July 18-23, 1999, p. 139 (no. IVT11).

6)       Rainaldi, G., Calcabrini, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T.  "Forced adhesive growth of K562 leukemic cells onto poly-L-ornithine films does not induce cell damage and death".  Oral presentation.  Fifteenth European Conference on Biomaterials, Arcachon, Bordeaux, France, September 8-12, 1999, (Sunday 12 September).

7)       Santini, M.T., Rainaldi, G. and Indovina, P.L.  "Three-dimensional tumor spheroids as an in vitro model for radiation therapy".  Sixth International Conference on Medical Physics, Patras, Greece, September 1-4, 1999, p. 168 (Physica Medica 15 (3), p. 168, 1999).

8)       Santini, M.T., Rainaldi, G., Romano, R., Arancia, G., Motta, A. and Indovina, P.L.  "A high resolution 1H-NMR study of two human tumor cell lines and their respective multidrug resistant counterparts: the role of mobile lipids and energy metabolites".  Sixteenth Annual Meeting of the European Society for Magnetic Resonance in Medicine and Biology (ESMRMB '99), Seville, Spain, September 16-19, 1999, p. 229 (no. 584), Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, Vol. 8, Suppl. 1, 1 September 1999.

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)       Romano, R., Lamanna, R., Santini, M.T. and Indovina, P.L.  "Un nuovo algoritmo per la normalizzazione per i spettri NMR".  Oral presentation.  Convegno Nazionale "Fisica e Neuroradiologia: Spettroscopia in vivo ed immagini funzionali con risonanza magnetica", Perugia, Italy, May 6-7, 1999, p. 16.

2)       Romano, R., Grossi, G.F., Indovina, P.L., Pugliese, M.G., Santini, M.T. and Scampoli, P.  "Spectroscopic studies of human cells radiosensitivity".  Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Catania, Italy, June 14-18, 1999, p. 213 (no. II-76).

3)       Romano, R., Lamanna, R., Santini, M.T. and Indovina, P.L.  "A new algorithm for NMR spectral normalization".  Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Catania, Italy, June 14-18, 1999, p. 213 (no. II-77).

4)       Santini, M.T., Rainaldi, G., Arancia, G. and Indovina, P.L.  "Multicellular tumor spheroids as an in vitro model system for radiation studies".  VII Congresso Annuale della Società Italiana di Mutagenesi Ambientale (SIMA), Cortona (Arezzo), Italy, October 6-8, 1999, p. 36.

5)       Rainaldi, G., Calcabrini, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T.  "Adhesion of K562 leukemic cells onto poly-L-ornithine films affects cell growth".  XVI Riunione Nazionale di Citometria del Gruppo Italiano di Citometria (GIC), Piano di Sorrento (Salerno), Italy, November 10-12, 1999, p. 19 (European Journal of Histochemistry 43/suppl. 3, p. 19, 1999).

 

 

FISICA DEGLI ATOMI ULTRAFREDDI

G. Affinito, L. Cacciapuoti*, A. Castrillo, M. de Angelis*, G.M. Tino

 

Attivita' 1999

Questo gruppo di ricerca sta mettendo a punto un apparato per il confinamento e raffreddamento di atomi di rubidio. Lo schema utilizzato e' simile a quello utilizzato nei primi esperimenti del JILA a Boulder ma si e' fatto frutto dell'esperienza acquisita per disegnare un sistema di grande versatilita' e con diverse soluzioni innovative. Il sistema a doppia trappola magneto-ottica (MOT) e' stato realizzato con un'architettura verticale che, insieme alla particolare forma delle celle e al tipo di trappola magnetica disegnata, permette un grande accesso ottico e anche la possibilita' di accesso meccanico alla zona di confinamento degli atomi. La grande accessibilita' ottica e' di cruciale importanza per il tipo di esperimenti che si intende svolgere, come detto nel seguito.

Lo stato attuale dell'esperimento e' il seguente: e' stato completato il sistema da vuoto, il sistema di sorgenti laser e il sistema ottico per la realizzazione della doppia trappola magneto-ottica. E' gia' stato realizzato l'intrappolamento degli atomi nella prima MOT, il loro trasferimento nella seconda camera e l'intrappolamento nella seconda MOT.

Si e' individuato l'ambito della ricerca da svolgere nello studio della manipolazione ottica di atomi nello stato condensato. I motivi di interesse derivano dalla possibilita' di confinare gli atomi in diversi sottolivelli magnetici e di ottenere forme del potenziale di confinamento diverse da quelle consentite dalle trappole magnetiche. In particolare, le strutture realizzabili mediante reticoli ottici, possono permettere di osservare effetti riconducibili all'effetto Josephson. Ci siamo occupati dello sviluppo di schemi ottici per la generazione di fasci laser cavi che permetteranno il confinamento degli atomi in regioni "buie" mediante trappole "blu". Si stanno anche studiando i metodi per ottenere strutture piu' complesse e cercando di inviduare le migliori sorgenti laser da utilizzare per questi esperimenti.

            Componenti del gruppo partecipano anche ad un esperimento sulla condensazione di Bose-Einstein in corso presso il Laboratorio Europeo LENS di Firenze.

 

Programma 2000

Attualmente si sta lavorando al trasferimento degli atomi in una trappola magnetica e al problema dell'imaging degli atomi. I passi successivi sono la messa in opera di una trappola magnetica di nuova concezione, in corso di realizzazione, e il raffreddamento evaporativo degli atomi fino alla condensazione di Bose-Einstein.

E' da notare che l'apparato si trova attualmente in un laboratorio provvisorio di dimensioni estremamente ridotte che limita fortemente gli sviluppi possibili che richiederebbero un maggior spazio e condizioni di lavoro migliori. L'esperimento dovrebbe essere trasferito presto in un nuovo laboratorio ad esso assegnato.

 

Pubblicazioni

1)       M. Prevedelli, F.S. Cataliotti, E.A. Cornell, J. R. Ensher, C. Fort, L. Ricci, G.M. Tino, M. Inguscio, "Trapping and cooling of potassium isotopes in a double-magneto-optical-trap apparatus", Phys. Rev. A  59, (1999).

2)       G.M. Tino, M. Inguscio, "Experiments on Bose-Einstein condensation", Rivista Nuovo Cim. vol.2, n.4 (1999)

3)       G.M. Tino, F.S. Cataliotti, E.A. Cornell, C. Fort, M. Inguscio, M. Prevedelli "Towards quantum degeneracy of bosonic and fermionic potassium atoms", in "Bose-Einstein condensation in atomic gases", Scuola di Fisica "E. Fermi", Corso CXL, IOS Press, Amsterdam, p. 521 (1999)

4)       C. Fort, M. Prevedelli, F. Minardi, F.S. Cataliotti, L. Ricci, G.M. Tino, and M. Inguscio "Collective excitations of a 87Rb Bose condensate in the Thomas-Fermi regime", Europhysics Letters 49, 8 (1999)

 

Comunicazioni a congressi internazionali

·         L. Cacciapuoti, G. Cennini, M. De Angelis, P. Maddaloni, M. Prevedelli, L. Ricci and G. M. Tino "Optical traps for cold atoms", Sixth International Conference on "Squeezed States and Uncertainty Relations", Naples, Italy 24-29 May 1999.

 

Comunicazioni a congressi nazionali

·         L. Cacciapuoti, G. Cennini, M. De Angelis, P. Maddaloni, M. Prevedelli, L. Ricci and G. M. Tino, "Manipolazione ottica di atomi raffreddati", LXXXV Congresso Nazionale Societa' Italiana di Fisica Pavia, Italy 20-24 September 1999.

 

 

RICERCA DI VIOLAZIONI DELLA CONNESSIONE SPIN-STATISTICA

M. de Angelis*, G. Gagliardi*, L. Gianfrani*, G.M. Tino

 

Attivita' 1999

Questa linea di ricerca riguarda lo studio di possibili violazioni della connessione spin-statistica e del postulato di simmetrizzazione della meccanica quantistica. I primi esperimenti sono stati realizzati presso questo Dipartimento e hanno permesso di stabilire per la prima volta un limite superiore ad una possibile violazione di tali simmetrie fondamentali (M. de Angelis, G. Gagliardi, L. Gianfrani, and G. M. Tino, "Test of the Symmetrization Postulate for Spin-0 Particles", Phys. Rev. Lett. vol. 76, 2840 (1996)). A causa della mancanza di spazio legata al trasferimento a Monte S. Angelo del Dipartimento questa attivita' di ricerca e' stata interrotta. Tuttavia, ricercatori del gruppo hanno collaborato ad un esperimento condotto presso il laboratorio Europeo LENS di Firenze, che ha permesso di ottenere quello che e' attualmente il valore piu' accurato per particelle a spin intero (G. Modugno, M. Inguscio, and G.M. Tino, "Search for small violations of the symmetrization postulate for spin-0 particles", Phys. Rev. Lett. vol. 81, 4790 (1998)).

 

Programma 2000

A causa delle succitate difficolta' legate al trasferimento a Monte S. Angelo e alla mancanza di finanziamenti specifici per questa linea di ricerca, per il 2000 non si prevede di portare avanti questa attivita' presso questo Dipartimento. I ricercatori del gruppo continueranno tuttavia a collaborare attivamente con altri laboratori in Italia e all'estero dove simili esperimenti sono stati avviati. Una possibilita' che si sta studiando e' quella di effettuare esperimenti su sistemi che coinvolgono piu' particelle identiche, sistemi in cui si puo' prevedere la presenza di simmetrie piu' complesse.

            I componenti del gruppo di ricerca fanno parte del comitato organizzatore della Conferenza Internazionale "International Conference on Spin-Statistics Connection and Commutation Relations: Experimental Tests and Theoretical Implications", Centro Internazionale per la Cultura Scientifica dell’Università di Napoli, Anacapri, May 31-June 3, 2000 (Direttori: R. C. Hilborn, G.M. Tino). I Proceedings della conferenza saranno raccolti in un libro pubblicato da American Institute of Physics (AIP).

 

Pubblicazioni

·         M. de Angelis, G. Gagliardi, L. Gianfrani, and G.M. Tino, "Precision tests of the symmetrization postulate of quantum mechanics for bosons",  "Highlights INFM 1996/97 ", pag.5 (1999).

 

Comunicazioni a congressi internazionali

·         G.M. Tino, "Precision tests of the spin-statistics connection and of the symmetrization postulate of quantum mechanics for spin-0 nuclei", III Adriatico Research Conference on Quantum Interferometry, ICTP, Trieste, 1-5 March 1999.

·         G. Modugno and G.M. Tino, "Precision tests of the spin-statistics connection and of the symmetrization postulate for  nuclei", 14th International Conference on Laser Spectroscopy, Innsbruck, Austria, 7-11 June 1999.

 

 

TECNICHE DI SPETTROSCOPIA LASER ED APPLICAZIONE

ALLA FISICA DELL' ATMOSFERA

M. Armenante*,A. Boselli, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang

 

Attività 1999

Il sistema Lidar che il gruppo ha progettato e realizzato e’ accordabile in un ampio intervallo spettrale (350-2500 nm); esso e’ stato utilizzato per effettuare una campagna di misura in un'area industriale del meridione. Questa campagna, commissionata dalla Provincia di Potenza, ha avuto come obiettivo sia il test del sistema che la realizzazione delle prime misure nella regione del vicino infrarosso. Sfruttando le caratteristiche uniche dell’apparato realizzato e’ stato possibile ottenere misure simultanee di diversi parametri atmosferici, come la trasmissivita’ in un ampio intervallo di lunghezze d’onda, il contenuto e le caratteristiche degli aerosoli e la concentrazione di vapor d’acqua in un volume atmosferico dell’ordine dei Km3.

E’ stata inoltre portata a termine la realizzazione dell’apparato per lo studio dello scattering multiplo in atmosfera; per questo e’ stata acquistata una camera CCD ad alta risoluzione temporale ed e’ stata realizzata la meccanica ed il sistema ottico di trasporto della radiazione.

Nell’ambito del V Programma Quadro della U.E. il gruppo ha partecipato alla preparazione del progetto EARLINET che vede coinvolti i principali gruppi Lidar dei paesi europei in un programma dedicato allo studio dgli aerosoli su scala continentale, con particolare riguardo alla determinazione delle loro proprieta’ ottiche ed alla conseguente influenza sul bilancio radiativo terrestre e sulla climatologia su larga scala. Il progetto e’ stato approvato ed il gruppo ha assunto il compito di gestire la partecipazione italiana al progetto; tale partecipazione prevede l’impiego di 3 sistemi lidar, situati a Potenza , Lecce e Napoli. I tre sistemi sono complementari sia per le caratteristiche della radiazione laser utilizzata che per le prestazioni. Va sottolineato che il sistema di Lecce e’ basato su un sistema ottico di ricezione, progettato e realizzato a Napoli.

Nella sede del Dipartimento si e’ avviata la costruzione di un alloggiamento che servira’ per ospitare una configurazione piu’ complessa dell’apparato, comprendente due sistemi di ricezione rispettivamente dedicati allo studio delle proprieta’ ottiche degli aerosoli stratosferici e troposferici. Per quanto riguarda le proprietà’ degli aerosoli troposferici e’ proseguito lo studio del Planetary Boundary Layer (PBL) con l’utilizzazione simultanea dello scattering elastico, dello scattering Raman e dell’assorbimento differenziale. E’ stato avviato uno studio delle proprietà’ spettroscopiche delle specie rivelabili nella regione dell’infrarosso vicino (1-2.5mm) per determinare i limiti di rilevabilità’ e la loro dipendenza dalla condizione ambientale (temperatura, pressione e contenuto di specie spettroscopicamente interferenti)

 

Programma 2000

Una considerevole parte del lavoro sara’ dedicata allo svolgimento del programma previsto nell’ambito del progetto europeo EARLINET che vedrà’ il gruppo impegnato per tre anni. Queste misure riguarderanno:

-         l’acquisizione di una base di dati che consenta di conoscere la distribuzione verticale ed orizzontale e la variabilita’ degli aerosoli sull’Europa

-         la valutazione quantitativa delle proprieta’ radiative degli aerosoli ed il loro impatto sulla radiazione UV,

-         la validazione dei modelli teorici che descrivono le proprieta’; degli aerosoli e la loro influenza sul clima e sulle condizioni ambientali

-         l’identificazione dei piu’ importanti processi di trasporto,

-         l’identificazione delle principali sorgenti,

Il completamento della costruzione dell’alloggiamento definitivo dell’apparato consentirà’ inoltre sia di eseguire le misure relative allo scattering multiplo nelle nubi che di eseguire una campagna di misura della qualità’ dell’aria commissionata dal Comune di Napoli. Queste ultime misure, in particolare, saranno eseguire con la collaborazione della società’ PROMETE, spin-off dell’IN

 

Pubblicazioni

1)       P.F. Ambrico, A. Amodeo, S. Amoruso, M. Armenante, A. Boselli, M. Pandolfi, G. Pappalardo, N. Spinelli, R. Velotta, “Monitoring of an industrial area in southern Italy by using a multiwavelength lidar”,Optica Applicata, XXIX, No 4, (1999) 427-438

2)       Di Girolamo P., Ambrico P., Amodeo A., Boselli A., Pappalardo G., Spinelli N., “Aerosol observations by lidar in the nocturnal boundary layer”, Applied Optics, 38 (1999) 4585-4595

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       A.Boselli, P.F.Ambrico, A. Amodeo, P. Di Girolamo, G. Pappalardo, N. Spinelli, R. Velotta, Transmissivity Measurements for Atmospheric Characterization, International Conference ALT’99 Advanced Laser Technologies, Potenza-Lecce 20-24 September 1999 (Abstracts Volume).

2)       P. Di Girolamo, P.F.Ambrico, A. Amodeo, A. Boselli, G. Pappalardo, N. Spinelli, Aerosol Measurements by Lidar in the nocturnal boundary layer, International Conference ALT’99 Advanced Laser Technologies, Potenza-Lecce 20-24 September 1999 (Abstracts Volume).

3)       A.Amodeo, P.F.Ambrico, S. Amoruso, A. Boselli, M. Pandolfi, G. Pappalardo, N. Spinelli, R. Velotta, Atmospheric monitoring by Lidar in an industrial area of Southern Italy, International Conference ALT’99 Advanced Laser Technologies, Potenza-Lecce 20-24 September 1999 (Abstracts Volume).

4)       P. Di Girolamo, N. Spinelli, P.F.Ambrico, A. Amodeo, G. Pappalardo, A. Boselli, M. Pandolfi, Simultaneous application of the Raman and Dial techniques ground-based water vapour Lidar measurements in the nocturnal boundary layer, International Conference ALT’99 Advanced Laser Technologies, Potenza-Lecce 20-24 September 1999 (Abstracts Volume).

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)       P.F. Ambrico, A. Amodeo, S. Amoruso, M. Armenante, A. Boselli, M.Pandolfi, G. Pappalardo, N. Spinelli, R. Velotta,  Multiparametric lidar system for atmospheric monitoring, INFMeeting 1999, 14-18 Giugno 1999, Catania (Abstracts Volume), (1999).

 

 

PLASMI IN FISICA ATOMICA

S. Amoruso*, M. Armenante*, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang*

 

Attività 1999

L’attività nel corso del 1999 è stata essenzialmente rivolta all’analisi dei processi di ablazioni laser da superfici metalliche (alluminio, rame e oro) e da materiali solidi multicomponenti di interesse tecnologico (ad esempio ‘borocarburi).

Nell’ambito della caratterizzazione dei plasmi generati per ablazione da superfici metalliche è stato studiato il processo che conduce alla formazione di impulsi di elettroni molto energetici che vengono rilasciati dalla superficie del bersaglio durante lo sviluppo del ‘plume’. Tali impulsi di elettroni sono di notevole interesse oltre che per l’elevata energia, anche per le brevi durate temporali (dell’ordine di quella del laser di pompa), la bassa divergenza, e la notevole densità di carica. Di tali elettroni sono state studiate, con tecniche di tempi di volo, sia la resa totale che la distribuzione energetica in funzione della intensità dell’impulso laser di pompa. Sono stati, inoltre, individuati il processo (assorbimento a due fotoni) che genera tali elettroni ‘veloci’, e quelli che influenzano la loro energia finale. Nel 1999 è anche iniziata l’attività riguardante lo studio dell’ablazione indotta, sempre su superfici metalliche, da impulsi laser ‘ultra-corti’ (nel regime temporale del centinaio di fs). Sono state misurate le distribuzioni energetiche degli ioni metallici emessi in tale regime e l’influenza sul processo del tipo di polarizzazione degli impulsi laser utilizzati.

Per quanto concerne il processo di ablazione da materiali non metallici, l’attenzione è stata rivolta ai ‘borocarburi’, un tipo di materiale che riveste attualmente un notevole interesse nel campo della deposizione di ‘film’ sottili per le sue caratteristiche di superconduttore ad alta temperatura critica e con particolari proprietà magnetiche.  L’analisi del processo di ablazione di tale materiale è recentissima, e la letteratura sull’argomento è al momento ancora molto povera. Con tecniche di spettrometria di massa a tempo di volo è stata analizzata la composizione in massa degli ioni del plume e la loro distribuzione di energie cinetiche in funzione delle condizioni sperimentali.  Questa attività, condotta in collaborazione con gruppi di superconduttività del Dipartimento ed esterni interessati alla produzione di ‘film’ sottili di materiali superconduttori, ha permesso di ottenere interessanti informazioni relative al modo in cui particolari condizioni sperimentali influenzano la qualità dei ‘film’ prodotti.

 

Programma 2000

Nell’anno 2000 verrà portata avanti l’attività di caratterizzazione del plume generato nell’ablazione di materiali multicomponenti di interesse per la produzione di ‘film’ sottili  superconduttori, in collaborazione con gruppi del Dipartimento e nazionali.  Inoltre, alla diagnostica basata sull’analisi a tempo di volo delle specie cariche sarà affiancata quella basata sulla spettroscopia ottica di emissione e di assorbimento che permette di caratterizzare l’evoluzione, risolta in tempo e nello spazio, anche delle specie neutre del plasma. Infine, si continuerà lo studio dei processi di ablazione indotti da impulsi laser ultra-corti (100 fs).

 

Pubblicazioni

1)       S. Amoruso, V. Berardi, R. Bruzzese, R. Velotta, N. Spinelli, X. Wang,  XeF excimer laser ablation of metallic targets probed by energy-selective time-of-flight mass spectrometry, Appl. Surf. Sci. 138, 250 (1999).

2)       S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang, Emission of prompt electrons during excimer laser ablation of Al targets, Appl. Phys. Lett., 75, 7 (1999).

3)       S. Amoruso, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta,  Characterisation of laser ablated plasmas, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 32, R131-R172 (1999).

4)       S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang, Characterization of fast electron emission in UV laser ablation of metallic targets, Appl. Phys. A, 69, S483 (1999).

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       S.Amoruso, M.Armenante, V.Berardi, R.Bruzzese, R.Velotta, X.Wang, N.Spinelli, “Characterisation of fast electron emission in UV laser ablation of metallic targets”, Fifth International Conference on Laser Ablation (COLA ’99), Gottingen (Germany, 1999).

2)       S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, M. Iavarone, N. Spinelli, R. Vaglio, R. Velotta , X. Wang, “Excimer laser ablation of borocarbide targets”, International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT ’99), Potenza-Lecce (Italy, 1999).

3)       S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta , X. Wang, “Prompt electron emission characterization in UV laser ablation of metallic targets”, International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT ’99), Potenza-Lecce (Italy, 1999).

4)       S. Amoruso, “Theoretical modeling of the laser-solid-plasma interaction during UV laser ablation of metallic targets”, International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT ’99), Potenza-Lecce  (Italy, 1999).

 

 

 

FISICA E TECNOLOGIA DEL SILICIO

 

CRESCITA E CARATTERIZZAZIONE DI FILM DI SILICIO CARBONIO AMORFO IDROGENATO

G. Ambrosone, U. Coscia, V. Parisi

 

Attività 1999

Scopo della ricerca è lo studio e l’ottimizzazione, rispetto ai parametri di deposizione, delle proprietà ottiche, elettriche e strutturali delle leghe di silicio carbonio amorfo idrogenato (a-SiC:H) realizzate dalla decomposizione del silano e di diversi idrocarburi mediante un sistema PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition).

Il programma del 1999 ha riguardato lo studio degli andamenti delle proprietà dei film a-SiC:H ottenuti da miscele di silano-acetilene al variare della pressione e della potenza di rf  allo scopo di individuare le condizioni di deposizione ottimali per la realizzazione di materiali con una buona fotosensitività e una bassa densità dei difetti.

Sono stati, pertanto, deposti campioni da miscele gassose di silano-acetilene con percentuale di acetilene fissata al 9.5% con un sistema PECVD variando la pressione tra 0.18 e 1 Torr e la potenza di rf tra 1.5 e 10 W. Le altre condizioni di deposizione sono state fissate come segue: temperatura di substrato 350 °C, distanza tra i piattelli 25 mm, flusso di silano 19 sccm.

I campioni realizzati sono stati caratterizzati otticamente mediante la spettroscopia UV-VIS-NIR. Dagli spettri di trasmittanza sono stati ottenuti: lo spessore dei film, che è stato utilizzato per determinare la velocità di deposizione, l’indice di rifrazione e l’energia di gap.

Dall’analisi dei risultati ottenuti si è visto che la velocità di deposizione, rd, cresce sia in funzione della potenza che della pressione; nel caso di deposizioni effettuate sia a pressioni che potenze alte è possibile ottenere valori di rd di circa 9 Å/s.

Per ciò che riguarda le proprietà ottiche l’indice di rifrazione, n, cresce con la potenza e diminuisce con la pressione, mentre l’energia di gap, E04  (l’energia a cui l’assorbimento è 104 cm-1) presenta andamenti opposti.

Sono state determinate, inoltre, per tutti i campioni la conducibilità di buio, la fotoconducibilità e quindi la fotosensitività (rapporto tra fotoconducibilità e conducibilità di buio) in presenza di luce bianca con spettro solare e flusso luminoso 100 W/cm2 in condizioni AM1. La fotosensitività aumenta con la potenza di rf tra 103 e 105 ; i valori più elevati si ottengono, alla pressione di 0.35 Torr nell’intervallo di potenza di rf 6-10W.

Dall’ analisi della regione esponenziale del coefficiente di assorbimento in funzione dell’energia della radiazione incidente, determinate da misure di fotocorrente spettrale, è stata ricavata dapprima l’energia di Urbach Eu, che è un parametro legato al disordine intrinseco del materiale e, dalla regione di extra assorbimento, si è calcolata la densità degli stati dei difetti nella gap, DOS. Eu varia tra 80 e 120 meV, e la densità dei difetti  varia tra 2 x 1016 e 6 x1017 cm-3.

Per individuare le modificazioni strutturali che avvengono nei film al variare della pressione e della potenza di rf sono state effettuate, sui campioni deposti, misure di spettroscopia IR per studiare i legami tra silicio, carbonio e idrogeno. I modi vibrazionali presenti negli spettri IR sono quelli tipici dei film a-SiC:H

Le regioni su cui abbiamo focalizzato la nostra attenzione sono:

a) 2000-2100 cm-1 dovuta alle vibrazioni stretching di SiHn; dall’assorbimento in tale regione è possibile calcolare l’idrogeno legato al silicio.

b) 2800-3000 cm-1 dovute alle vibrazioni stretching di CHn; l’integrale dell’intensità dei picchi di assorbimento in tale regione è legato al contenuto di carbonio nei film.

Dall’analisi degli spettri IR dei nostri campioni si è osservato che il contenuto di idrogeno legato al silicio è da ritenersi praticamente costante (12 at%), l’integrale dei picchi di assorbimento, nella regione fra 2800-3000 cm-1, diminuisce sensibilmente nei film con l’aumento della potenza di rf. La stessa diminuzione è stata riscontrata effettuando misure di ESCA su alcuni dei film deposti. Si può affermare, pertanto, che nei film a-SiC:H deposti da silano - acetilene il contenuto di carbonio diminuisce all’aumentare della potenza di rf contrariamente a quanto avveniva per le leghe deposte da silano - metano.

In conclusione

i) è possibile deporre materiali con un indice di rifrazione variabile da 2.4 a 3.1 ed una energia di gap da 1.9 a 2.4 eV variando opportunamente la pressione e la potenza di rf senza cambiare la composizione della miscela silano - acetilene.

ii) le variazioni delle proprietà ottiche, elettriche e strutturali, osservate al variare della pressione e la potenza di rf, sono causate dalle variazioni del contenuto di carbonio incorporato nei film.

iii) sono stati individuati gli intervalli di pressione e di potenza di rf per la realizzazione di materiali con una buona fotosensitività ( 105) e bassa densità dei difetti (2 x1016).

 

Programma 2000

Si continuerà Lo studio dei film di silicio carbonio amorfo idrogenato, ottenuti dalla deposizione di miscele silano e diversi idrocarburi variando i parametri della scarica a bagliore (pressione e potenza di rf). Si confronteranno ed analizzeranno i diversi andamenti delle proprietà ottiche, elettriche e strutturali dei film di silicio carbonio amorfo, ottenuti dalla deposizione di miscele silano metano e silano acetilene.

Successivamente si inizieranno deposizioni di film di silicio ottenuti da gas di silano diluito in idrogeno. Per tali deposizioni si userà il sistema PECVD del Dipartimento. Lo scopo di questa nuova ricerca è la realizzazione di film di silicio microcristallino perché essi presentano una frazione microcristallina hanno una maggiore mobilità dei portatori e una maggiore stabilità sotto illuminazione rispetto a quelli di silicio amorfo.

   

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       G.Ambrosone, P. Capezzuto, S. Catalanotti, U.Coscia, S. Mormone- “Optical, electrical and structural properties of a-SiC:H alloys deposited by different hydrocarbon gas mixtures” International Workshop on Semiconducting and Superconducting Materials, Torino, 17-19 Feb 1999.

2)       G.Ambrosone, G. Bruno, P. Capezzuto, G. Cicala, U.Coscia-“ Deposition-etching competitive mechanism governing the structure and chemical composition of plasma deposited silicon- based materials” International Workshop on Semiconducting and Superconducting Materials, Torino, 17-19 Feb 1999.

3)       R. Murri, N.Pinto, G. Ambrosone, U. Coscia-“ Thermal annealing of physical properties of a-SiC:H” International Workshop on Semiconducting and Superconducting Materials, Torino, 17-19 Feb 1999.

4)       U. Coscia, G. Ambrosone, S. Ferrero, P. Mandracci, M. Palma, P. Rava, A. Buonanoce - Amorphous Silicon-Carbon alloys: a study on structure, defects and radiative emission- International Workshop on Semiconducting and Superconducting Materials, Torino, 17-19 Feb 1999.

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)       P. Capezzuto, G. Cicala, G. Bruno, G. Ambrosone, and U. Coscia “ Growth/Etching Mechanism Governing The Composition And Structure Of Plasma Deposited Silicon-Based Alloys. Atti del XXVII Congresso di Chimica Inorganica 27 giugno 1 luglio 1999, Como, 90

 

 

 

PROPRIETA’ TERMICHE E OTTICHE DEL SILICIO POROSO

U. Bernini, F. De Filippo*, S. Lettieri*, P. Maddalena, A. Ramaglia

 

Attività 1999

La ricerca ha affrontato il problema delle proprietà fisiche di campioni di silicio reso poroso per attacco elettrochimico. Sono state studiate sia le proprietà termiche che la risposta ottica lineare e nonlineare. Lo studio è stato svolto nell'ambito di una collaborazione tra alcuni ricercatori del Dipartimento e il Centro di Ricerche Fotovoltaiche dell'ENEA di Portici (NA).

Mediante analisi fotoacustica è stata misurata la conducibilità termica di campioni di silicio poroso a diversa porosità. La conducibilità risulta essere di circa due ordini di grandezza minore di quella del silicio cristallino.

E’ stato completato l’esperimento per la misura della costante dielettrica del silicio poroso e ( w ) attraverso misure di riflettività che si estendono dal VUV al VIS. L’analisi dei dati raccolti, mediante le relazioni di Kramers-Kronig, ha permesso di risalire alla legge di dispersione della costante dielettrica ed alla sua dipendenza dalla porosità dei campioni investigati.

Parallelamente si è continuato lo studio sulla la nonlinearità ottica del terzo ordine c(3) per campioni sospesi di silicio poroso con la tecnica di Z-scan utilizzando un laser Nd:YAG ad impulsi ultracorti (decine di picosecondi di durata). Il forte aumento misurato, della nonlinearità rispetto a quella del silicio cristallino bulk (circa quattro ordini di grandezza) è stato attribuito al confinamento quantico dei portatori di carica nella struttura porosa In particolare è stato sviluppato un modello che descrive l’interazione radiazione-silicio poroso tenendo conto del contributo eccitonico. Sono in corso misure eseguite al variare della lunghezza d’onda incidente per un confronto con il modello sviluppato.

 

Programma 2000

Una parte del lavoro di ricerca consisterà nello studio della influenza di fluidi (gas o vapore) con cui è in contatto, sulle proprietà di trasporto (termico ed elettronico) del silicio poroso in diverse situazioni di pressione e temperatura.

Si vuol continuare, d’altro canto, lo studio delle nonlinearità ottiche ed inoltre approfondire lo studio delle proprietà ottiche lineari del silicio poroso attraverso misure di spettroscopia FT-IR, per la analisi superficiale dei campioni, e misure nel visibile finalizzate alla misura dell’andamento di e ( w ) e della sua dipendenza dai parametri fisici quali la porosità, l’invecchiamento del campione, il tipo di substrato etc..

 

Pubblicazioni

1)       D. Tescione, P. Maddalena, “A New Technique for Calibration in Frequency of Piezoelectric Contact Transducers”, NDT & E Int., 32, 71, (1999).

2)       U. Bernini, P. Maddalena, E. Massera, A. Ramaglia, “Photo-acoustic Characterisation of Porous Silicon Samples”, Pure & Appl. Opt, 1, 210, (1999).S. Lettieri, O. Fiore, P. Maddalena, D. Ninno, G. Di Francia, V. La Ferrara, “Nonlinear Optical Refraction of Free-standing Porous Silicon Layers”, Opt. Comm., 168, 383, (1999).

3)       U. Bernini, P. Maddalena, E. Massera, A. Ramaglia,” Thermal Characterisation of Porous Silicon via Thermal Wave Interferometry”, Opt. Comm., 168, 305, (1999).

4)       Parretta, A. Sarno, P. Tortora, H. Yakubu, P. Maddalena, J. Zhao, A. Wang, “Angle-dependent Reflectance Measurements on Photovoltaic Materials and Solar Cells ”, Opt. Comm., 172, 139, (1999).

5)       D. De Feo, S. De Nicola, P. Ferraro, P. Maddalena, D. Paparo, G. Pierattini, “A Fourier-Transform Based Interferometric Technique for Measuring the Elastic Anisotropy of a Dye Doped Liquid Crystal”, SPIE, 4016, 41, (1999).

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       Colamatteo, P. Maddalena, “High Sensitivity Non-contact Method for Dimensional Analysis of Samples”, Proc. 2nd Topical Meet. On Optoelectronic Distance/Displacement Meas. And Appl. ODIMAP II, Pavia, Italy, p.327-332, (1999).

2)       D. De Feo, S. De Nicola, P. Ferraro, P. Maddalena, D. Paparo, G. Pierattini, “A Fourier-Transform Based Interferometric Technique for Measuring the Elastic Anisotropy of a Dye Doped Liquid Crystal”, Photonics Prague 99, 1999.

3)       F. De Filippo, C. Altucci, C. De Lisio, G. Lerondel, P. Maddalena, “Optical Characterisation of Porous Silicon from NIR to VUV by Reflectance Measurements”, 1st Int. Workshop on Semicond. And Supercond. Materials, Torino, Italy, 1999

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)       G. Di Francia, L. Quercia, S. La Ferrara, S. Manzo, S. Chiavarini, F. Cerullo, F. De Filippo, V. La Ferrara, P. Maddalena, R. Vitiello “Feasibility of an Optical Biosensor Based on Porous Silicon”, Proc. of the Workshop “Sensori Chimici e Biosensori”, C.R. ENEA, , (1999).

2)       S. Lettieri, P. Maddalena, A. Morra, D. Ninno, “Nonlinear Refraction Analysis of Porous Silicon Samples within the Resonant Range”, 1st Int. Workshop on Semicond. And Supercond. Materials, Torino, Italy, 1999.

3)       Colamatteo, P. Maddalena, “High Sensitivity Non-contact Method for Dimensional Analysis of Samples”, 2nd Topical Meet. On Optoelectronic Distance/Displacement Meas. And Appl. ODIMAP II, Pavia, Italy, 1999.  

 

PROPRIETA’ MAGNETICHE DEI MATERIALI

 

  PROPRIETA' MAGNETICHE NEI MATERIALI METASTABILI, MAGNETOELASTICITA' E SUE APPLICAZIONI

G.Ausanio*, A. D'Agostino*, R. Germano*, V. Iannotti*, L. Lanotte, C. Luponio

 

Attività 1999

L’attività è stata svolta seguendo tre temi preminenti:

-1) materiali magnetici “soft” di nuova concezione

-2) sviluppo dei modelli della magnetoelasticità ed effetti sperimentali collegati

-3) applicazioni della magnetoelasticità.

1) La nuova lega Fe62.5Co6Ni7.5Cu1Nb2B15, da noi progettata per ottenere una struttura amorfa altamente stabile e facilmente formabile in nastri adatti a sostenere onde magnetoelastiche risonanti, si è rilevata efficace ad ottenere gli obiettivi previsti. Il completamento dello studio delle sue proprietà strutturali, magnetiche ed elastiche, in funzione della temperatura, ha evidenziato che trattasi della lega a più facile magnetizzazione sinora ottenuta e che la sua applicazione in sistemi sensori amplifica la sensibilità ai massimi livelli sinora realizzabili.   Si è anche iniziato lo studio di materiali compositi: matrice polimerica + microparticelle metallico-magnetiche.    In particolare è stata evidenziata e interpretata la presenza di una suscettività magnetica anomala in polietilene contenete microparticelle di Ag.

2) Per quanto riguarda la teoria, si è dato una contributo notevole alla modellistica dell’effetto cantilever in sistemi film magnetico su substrato non magnetico, basilare per le misure di magnetostrizione in films sottili.   Si è inoltre completata la teoria dei sistemi sensori in onde magnetoelastiche per la misura di spostamenti e vibrazioni, secondo i  piani del Progetto Sud SEMASTI (INFM-MURS-UE).

3) Dal punto di vista applicativo il risultato più importante si è raggiunto con la dimostrazione della competitività de risuonatori magnetoelastici con gli “strain gauge” resistivi: maggiore sensibilità e prontezza con uguale affidabilità.

 

Programma 2000

L’attività sarà concentrata sulla ricerca connessa a:

1° caratterizzazione di  nuove leghe magnetoelastiche concepite come ulteriore miglioramento di quella Fe62.5Co6Ni7.5Cu1Nb2B15, allargando la collaborazione con partners italiani e stranieri; produzione e caratterizzazione di materiali costituiti da base polimerica, o siliconica, con particelle magnetiche micrometriche e nanometriche in essa disperse, al fine di ottenere risposte elastomagnetiche “intelligenti”

2° completa caratterizzazione dei domini magnetici e degli effetti magnetoelastici all’interfaccia in multistrati CoFe ottenuti per deposizione fisica in ultravuoto e modelli della anisotropia magnetica in multistrati.

3° prove applicative in campo aereonautico e civile ed ingegnerizzazone (eventuale brevetto) di sensori magnetoelastici di spostamenti vibrazioni e flussi, competitivi rispetto ai sistemi piezoeletrici e resistivi sinora adottati

   

Pubblicazioni

1)       L.Lanotte, V.lannotti, M.Müller “A New   Amorphous  Alloy  for  Magnetoelasic   Wave Applications Fe62.5Co6Ni7.5Cu1 Nb2B15J. APPL. ELECTROMAGN. .MECH. 10, 215-220 (1999)

2)       L.Lanotte G.Ausanio, and V.lannotti “Correlation between Hall Effect, Structural Relaxation and Magnetoelasic Coupling in Fe81 B13Si14C2 Amorphous  Alloy” J.MAGN. MAGN.. MATER 196-197 , 865-867 ( 1999)

3)       V. lannotti and L.Lanotte “Improved Model for the Magnetostrictive Deflection of a Clamped Film-Substrate System” J. MAGN. MAGN. .MATER.  202, 191-196  (1999).

4)       L. Lanotte, G. Ausanio, V. Iannotti, F. Branda G. Luciani, A. Stantero, F. Vinai, M.Carbucicchio , “Metastability in Fe62.5Co6Ni7.5Zr6Cu1Nb2B15 Amorphous Alloy and Optimisation of its Magnetoelastic Response” NANOSTRUCTURED MATERIALS 11, 805-811 (1999)

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       L. Lanotte, G. Ausanio, M. Carbucicchio, V. Iannotti and M. Muller , “Coexistence of Very Soft Magnetism and Good Magnetoelastic Coupling in the Amorphous Alloy Fe62.5Co6Ni7.5Zr6Cu1Nb2B15  XIVth Soft Magnetic Materials Conference, SMM14,- 7-10 September, 1999, Balatonfüred , Hungary .

2)       R. Germano, A. D’Agostino, V. Iannotti and  L. Lanotte, “The Use of a Magnetoelastic Sensor as an alternative to Strain Gauge”  International Symposium on Non-linear  Electromagnetic Systems,Pavia-May  ‘99.

3)       P. Allia, M. Coisson, P. Tiberto, F. Vinai and L. Lanotte, “Magnetic Permeability Relaxation in Amorphous Fe62.5Co6Ni7.5Zr6Cu1Nb2B15 with Improved Magnetoelastic Properties”XIVth Soft Magnetic Materials Conference SMM14 - 7-10 September, 1999, Balatonfüred , Hungary

 

 

SUPERCONDUTTIVITA'

FISICA DI SUPERCONDUTTORI IN REGIME STAZIONARIO E NON STAZIONARIO

G. Ammendola, A. Barone, L. Parlato*, G. Peluso, G. Pepe, A. Ruosi*, M. Valentino*

 

Attività 1999

Nel corso del 1999 è proseguito lo studio teorico e sperimentale dei superconduttori in regime di non equilibrio. In particolare sono stati presi in esame aspetti teorici connessi alla possibilità di usare la corrente Josephson nel contesto dei rivelatori di radiazione utilizzando un modello di non equilibrio. Nel limite di basse temperature ed assumendo che le quasiparticelle siano descritte mediante un’opportuna funzione di distribuzione di non equilibrio é stata ottenuta una stima della riduzione nel valore della corrente critica in seguito all’assorbimento di un fotone in funzione dell’energia rilasciata. La misura della riduzione della corrente Josephson per rivelare l’energia rilasciata da un fotone incidente in un superconduttore consente di superare alcune difficoltà incontrate in rivelatori STJ che operano nella regione di subgap. Sono stati proposti in questo contesto due possibili schemi di rivelatori. Nel primo il rivelatore è una delle due giunzioni che costituiscono uno SQUID, nel secondo una giunzione Josephson con una resistenza in parallelo viene accoppiata induttivamente con uno SQUID usato come amplificatore a bassissimo rumore. Sperimentalmente sono state impiegate giunzioni d’altissima qualità e dispositivi a tre terminali costituiti da doppie giunzioni Josephson, in differenti configurazioni basate sulla tecnologia del Nb e dell'Al per studiare la risposta sia della corrente Josephson che quella di quasiparticelle ad un’eccitazione esterna. Lo stato di non equilibrio é stato generato producendo un eccesso di quasiparticelle (eccitazioni) sia iniettando corrente da una delle due giunzioni nel caso di strutture atre terminali sia mediante irraggiamento di fotoni ottici nel caso di giunzioni singole. A tal scopo è stato impiegato, in collaborazione con l'Istituto Galileo Ferraris di Torino, un sistema integrato in grado di accoppiare gli apparati criogenici alle sorgenti ottiche. Inoltre è iniziato lo studio della risposta di tali dispositivi da un punto di vista elettronico in relazione al loro possibile impiego nell'ambito dell'elettronica superconduttiva come amplificatori di corrente a bassissima dissipazione.

Per quanto riguarda le analisi non distruttive mediante tecniche elettromagnetiche e magnetometri superconduttivi sì é proceduto all’acquisizione della strumentazione atta ad implementare la stazione di misura a valle della progettazione sia dell'apparato criogenico sia della configurazione dei sensori. Sono stati presi in considerazione studi di magnetometria non a contatto sia in leghe d’alluminio difettate sia in nuovi campi d’applicazione quali la rivelazione non a contatto di difetti in strutture d’interesse aeronautico di materiale composito e l'analisi per monitorare il funzionamento di singoli transistori in dispositivi di potenza IGBT (Insulated_Gate Bipolar_Transistor) per applicazioni nel campo dei trasporti. Sono state effettuate misure per rivelare difetti di lavorazione o d’invecchiamento in strutture conduttive piane a multistrato mediante tecniche a correnti parassite con diversi sensori. In particolare è stata confrontata la risposta a difetti artificiali in strutture costituite da uno o più strati d’alluminio di sensori basati su bobine d’induzione, flux-gate e magnetometri SQUID. E’ stata dimostrata la superiorità complessiva della magnetometria SQUID rispetto ai sensori tradizionali nell’identificazione di difetti artificiali profondi come fori, tagli e cricche. Misure preliminari su materiali compositi costituiti da lastre piane in CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) hanno dimostrato la possibilità di rivelare difetti di delaminazione provocati da urti a bassa energia ( £10 Joule) sulla parte apposta della superficie ispezionata di una lastra di 3 mm di spessore. Inoltre è stata ottenuta mediante misure non invasive di campo magnetico al di sopra di un modulo di potenza IGBT una mappa delle disuniformità nella distribuzione di corrente nei singoli dispositivi del modulo causate da stress elettrici termici o meccanici. Possono essere apprezzati sbilanciamenti inferiori al 5%.

 

Programma 2000

Nel corso del 2000, per quel che riguarda i dispositivi a bassa temperatura di  transizione, saranno realizzate e misurate giunzioni tunnel  superconduttive (STJ) impieganti materiali sia tradizionali (es. Nb,  Al, ..) che innovativi (TiN, Mo-Re, …). In tali dispositivi saranno studiate le condizioni di non-equilibrio ottenute sia a seguito d’irraggiamento ottico, stazionario e/o impulsato, sia mediante  iniezione elettronica da parte di una seconda giunzione tunnel in  configurazione stacked. Sarà riprogettato e realizzato un opportuno inserto criogenico per  illuminare il campione mediante un impulso laser trasportato da  una fibra ottica. L’allineamento tra il campione e la fibra, a bassa  temperatura, sarà effettuato muovendo quest’ultima mediante  attuatori piezoelettrici ed osservando, eventualmente, i movimenti  mediante un bundle ottico opportunamente posizionato. Questo  dispositivo, essendo basato su fibra ottica, consente di operare  con sorgenti in grado di fornire impulsi di durata inferiore al  picosecondo. Una perturbazione ottica avente durata minore dei  tempi caratteristici della successione delle giunzioni Josephson  (frequenza caratteristica wJ » 109-1010 s-1) può indurre  modificazioni nell'elettrodinamica dei vortici di tipo Josephson, in grado determinare variazioni delle tensioni di risonanza della struttura, rivelabili mediante tensioni esterne di riferimento.  Inoltre, la presenza di charge imbalance, legata alle condizioni di non equilibrio, può dare origine a nuove fenomenologie nello stato  a tensione nulla (stato Josephson).

Per quanto riguarda le analisi non distruttive si pensa di caratterizzare il nuovo apparato sperimentale basato su SQUID ad alta temperatura di transizione, di migliorare il software d’acquisizione e di processo dei dati e di dotare il sistema di sensori tradizionali ad alta sensibilità e basso rumore quali flux-gate e sonde di Hall per misure di confronto. Continuerà lo studio di magnetometria non distruttiva in nuovi campi d’applicazioni quali l‘indagine di strutture basate su compositi, comunemente incontrate nell’industria aeronautica, e di moduli di potenza per applicazioni nel campo dei trasporti.  Un’analisi approfondita della diagnostica non invasiva in moduli IGBT mediante flux-gate e sensori basti sull’effetto Hall sarà accompagnata dallo sviluppo di un modello numerico per la rappresentazione dei difetti nella distribuzione di corrente nei singoli componenti del modulo, causati da stress elettrici termici o meccanico iche ne condizionano l’affidabilità. Infine sarà sviluppata magnetometria basata su flux-gate, proposta sulla base di misure preliminari, per controllare la pulizia chimica di una cavità risonante e monitorare il rilascio d’idrogeno da parte di un campione di niobio idrogenato.Saranno effettuate misure dell’elettropulitura di cavità di geometria e caratteristiche diverse e saranno studiate le correlazioni  con la caratteristica I-V. 

 

Pubblicazioni

1)       G. Pepe, G. Ammendola, G. Peluso, A. Barone, E. Esposito, L. Parlato, B. Ivlev. NON-EQUILIBRIUM IN JOSEPHSON JUNCTIONS. A NEW POSSIBILITY FOR LOW-ENERGY RADIATION/PARTICLE DETECTION Phys. Rev. B 60 (18) 13131 (1999)

2)       R. Cristiano, E. Esposito, L. Frunzio, C. Nappi, G. Ammendola, L. Parlato, G. Pepe, H. Kraus, P. Valko. QUASIPARTICLE DIFFUSION, EDGE LOSSES AND BACK-TUNNELING IN SUPERCONDUCTING TUNNEL JUNCTIONS UNDER X-RAY IRRADIATION, J. Appl. Phys 36 (8) 4580 (1999)

3)       R. Cristiano, E. Esposito, L. Frunzio, M.P. Lisitskii, C. Nappi, G. Ammendola, A. Barone, L. Parlato, D. Balashov, V.N. Gubankov, MAGNETIC PROPERTIES OF ANNULAR JOSEPHSON JUNCTIONS FOR RADIATION DETECTION:EXPERIMENTAL RESULTS. Appl. Phys. Lett 74 (22) (1999) 3389

4)       G. Ammendola, G. Peluso, G. Pepe, A. Barone, L. Parlato, E. Esposito, E. Monticone, M. Rajteri. NON EQUILIBRIUM EXPERIMENTS IN LTS JOSEPHSON DOUBLE TUNNEL DEVICES IEEE Trans. on Appl. Supercond.Vol.9,n.2, 3974 (1999)

5)       E. Monticone, V. Lacquaniti, R. Steni, M. Rajteri, M.L. Rastello, L. Parlato, G. Ammendola Nb JOSEPHSON JUNCTION BOLOMETERS FOR OPTICAL DETECTION IN THE VIS-IR REGION IEEE Trans. on Appl. Supercond. Vol.9,n.2, 3866  (1999)

6)       E. Esposito, L. Frunzio, L. Parlato, R. Cristiano, M. Lisitskii, C. Nappi, S. Pagano, A. Barone, G. Peluso, G. Pepe. EFFECTS OF QUASIPARTICLE DIFFUSION IN Nb BASED SUPERCONDUCTING TUNNEL JUNCTIONS UNDER x-RAYS IRRADIATION  , Intern. J. of Mod. Phys. vol.13, 1247-1252 (1999)

7)       G .Pepe, G. Peluso, A. Ruosi, M. Valentino, D. Tescione "ELECTROMAGNETIC SQUID BASED NDE: A COMPARISON BETWEEN EXPERIMENTS AND NUMERICAL FEM MODELLING" Review of progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Edited by D. O. Thompson and D. E. Chimenti, Plenum Press 1999

8)       Ruosi, M. Valentino, G. Pepe, G. Peluso, V. Mollo "EXPERIMENTAL AND THEORETICAL RESULTS IN ELECTROMAGNETIC NON DESTRUCTIVE TESTING WITH HTS SQUIDS" IEEE Trans. Appl. Superconductivity ,  3499-3502  (1999).

9)       Ruosi, M. Valentino, G. Pepe, G. Peluso V. Monheburrun, D. Lesselier, B. Duchene "EDDY CURRENT NON-DESTRUCTIVE EVALUATION USING SQUIDS" Elettromagnetic Nondestructive Evaluation (III), D Lesselier and A Radzek  Eds IOS Press pp. 171-181  1999.

10)    M. Valentino, A. Ruosi, G. Pepe, G. Peluso, D. Lesselie " SUPERCONDUCTIVE AND TRADITIONAL ELECTROMAGNETIC PROBES IN EDDY-CURRENT NDE FOR DETECTION OF DEEP DEFECTS" Elettromagnetic Nondestructive Evaluation  (III), D Lesselier and A Radzek  Eds IOS Press 159-170 1999.

11)    M. Valentino G. Pepe, A. Ruosi,V. Mollo,  R. D’Alto, G. Peluso "ESPERIMENTAL RESULTS IN EDDY CURRENT NONDESTRUCTIVE TESTING BASED ON  SUPERCONDUCTIVE AND CONVENTIONAL ELECTROMAGNETIC PROBES",  International Journal of Modern Physics B, Vol. 13, (1999) 1117-1122

12)    A.Barone "WEAKLY COUPLED MACROSCOPIC QUANTUM SYSTEMS : LIKNESS WITH DIFFERENCE" in "Quantum Mesoscopic Devices and Microelectronics" (I.O.Kulik Ed.) KLUWER ACADEMIC NATO ASI Publ. June 1999

 

Comunicazioni a congressi internazionali

1)       G. Pepe, G. Busatto, M Valentino, G. Peluso, A. Ruosi A NON-DESTRUCTIVE TECHNIQUES  FOR MAGNETIC IMAGING OF CURRENT DISTRIBUTIONS INSIDE POWER MODULES  9th International Symposium on Non-Linear Electromagnetic Systems (ISEM), Pavia, Italy, 10-12 May 1999

2)       M. Valentino, A. Ruosi, G. Pepe, G. Peluso SUPERCONDUCTIVE AND TRADITIONAL ELECTROMAGNETIC PROBES IN EDDY-CURRENT NONDESTRUCTIVE TESTING OF CONDUCTIVE MATERIALS" Proc European Conf. On Applied Superconductivity Eucas 99 to be publ. In  J. de Physique

3)       G. Ammendola, A. Barone, L. Parlato, G. Peluso, G.P.Pepe, R. Cristiano, E. Esposito, L. Frunzio, C. Nappi and S.Pagano, M. Capaccioli, E. Cascone "SUPERCONDUCTING TUNNEL JUNCTION: FUTURE DETECTORS FOR ASTRONOMY" International Conference on “Telescopes Instruments and data processing for Astronomy in the year 2000”, Sant’Agata dei due Golfi (Napoli), maggio 1999

4)       V. Palmieri, F. Stivanello and M. Valentino "FLUX-GATE MAGNETOMETRY: THE POSSIBILITY TO APPLY A NOVEL TOOL TO MONITOR NIOBIUM CHEMISTRY" to be published on "Proceedings of the "ninth workshop on RF Superconductivity", B. Rusnak ed., held on Nov 1-5, 1999, Santa Fe' NM, USA

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)       G. Ammendola, A. Barone, L. Parlato, G. Peluso, G.P.Pepe "NB STACKED TUNNEL JUNCTIONS FOR THREE TERMINAL QUASIPARTICLE TRAPPING DEVICES"  Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Catania, 14-18 giugno 1999

 

 

 

SUPERCONDUTTIVITA' IN SISTEMI METALLICI

NON CONVENZIONALI

A.Andreone, C.Aruta*, A.Cassinese*, M.Iavarone*, F.Palomba*, G.Pica*, M.Salluzzo*, R.Vaglio

 

Attività 1999

Nel 1999 l’attivita’ ha riguardato lo studio delle proprieta' di trasporto, dell'effetto tunnel (con tecnica di spettroscopia STM a bassa temperatura) e della impedenza superficiale alle alte frequenze in superconduttori intermetallici non convenzionali ed in superconduttori ad alta temperatura critica.

In particolare per i composti RE-Ni2B2C (RE: terra rara) e per i nitruri di metalli di transizione la ricerca e' stata finalizzata alla comprensione dei meccanismi e dello stato di pairing tramite misura della lunghezza di penetrazione magnetica. Si sono inoltre realizzate di giunzioni tunnel e Josephson su tali materiali.

Sono poi state effettuate le misure delle proprieta' superconduttive in radio-frequenza di film sottili di composti ad alta temperatura critica del tipo Y-Ba-Cu-O (123) con sostituzioni sul sito del bario (Nd). Tali composti risultano di interesse applicativo in quanto presentano migliori caratteristiche morfologiche superficiali.

 

Programma 2000

Il programma  riguardera' l’utilizzo della tecnica STM per la caratterizzazione di materiali superconduttori a bassa ed ad alta temperatura critica, sia sotto forma di cristalli singoli che di film sottili. Oltre alla spettroscopia tunnel convenzionale su materiali innovativi e su superconduttori del tipo Y-Ba-Cu-O con sostituzioni di Nd sul sito del bario, lo studio riguardera'  la visualizzazione del reticolo di vortici in strutture mesoscopiche. Questa ricerca verra’ portata avanti in stretto collegamento con i Laboratori Nazionali di Argonne (Illinois).

Nel corso del 2000 si iniziera’ una nuova attivita’ sui rutenati, ossidi superconduttori che presentano coesistenza di ferromagnetismo e superconduttivita’ al disotto di 4OK, ed inizieranno i test di deposizione di film sottili di tali materiali.

Verra’ inoltre proseguito lo studio delle proprieta’ dei superconduttori ad alta frequenza tramite  misure dell'impedenza superficiale e verranno studiati, in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettronica, dispositivi passivi a microonde di tipo innovativo.

Nell’ambito del Progetto Sud “Filtri Superconduttori” dell’INFM verra' infine completato un sistema basato su di un filtro a microonde superconduttore in YBCO in banda L di interesse per la telefonia cellulare e ne verra’ effettuato il collaudo “sul campo”.

 

Pubblicazioni

1)       Andreone Antonello, Cassinese Antonio, Palomba Francesco, Pica Giulia, Salluzzo Marco, Malandrino Graziella, Ancarani V., Fragala' Ignazio Properties of TBCCO 2212 thin films for electronic applications  INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS B 13 (1999) 1321-1326

2)       Andreone Antonello, Aruta Carmela, Iavarone Maria, Palomba Francesco, Russo M., Salluzzo Marco, Vaglio Ruggero, Cassinese Antonio, Hein M., Kaiser T., Mueller G., Perpeet M. Synthesis and microwave properties of thin films of the 1 : 2 : 2 : 1 borocarbide superconductors YNiBC and ErNiBC  IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 9 (1999) 2394-2397

3)       Andreone Antonello, Aruta Carmela, Iavarone Maria, Palomba Francesco, Russo M., Salluzzo Marco, Vaglio Ruggero, Cassinese Antonio, Hein M., Kaiser T., Muller G., Perpeet M. Microwave properties of RE-Ni2B2C (RE = Y, Er) superconducting thin films PHYSICA C 319 (1999) 141-149

4)       Beneduce Concetta, Bobba Fabrizio, Boffa Maria Antonietta, Cucolo Anna Maria, Cucolo Maria Cristina, Andreone Antonello, Aruta Carmela, Iavarone Maria, Palomba Francesco, Pica Giulia, Salluzzo Marco, Vaglio Ruggero Single and double side YBCO thin films for X-band microwave filters and devices  INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS B 13 (1999) 1333-1337

5)       Andreone Antonello, Aruta Carmela, Fontana Fabrizio, Iavarone Maria, Russo M., Vaglio Ruggero, Crabtree G., De Wilde Y., Polichetti Massimiliano Properties of ErNi2B2C superconducting thin films  PHYSICA C 312 (1999) 1-6

6)       Salluzzo Marco, Andreone Antonello, Palomba Francesco, Pica Giulia, Maggio-aprile I., Fischer O.Microwave surface impedance of Nd-rich Nd1-xBa2-xCu3O7-delta thin films  JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSICS 117 (1999) 687-691

7)       A.Andreone, M.Iavarone, R.Vaglio, P.Manini,E.Cogliati ”Superconducting properties of borocarbides and in-situ growth of thin films”,  Highlights  INFM p. 42 , Microart, Lecco 1999.

 

Comunicazioni a congressi internazionali:

1)       Cassinese "Microwaves measurements of superconductors useful for particle accelerator"s ..Proc. of the 38th Workshop INFN ELOISATRON PROJECT, Superconducting Materials for High Energy Colliders, Erice, 1999.

2)       A.Andreone, A.Cassinese,M.Iavarone, P.Orgiani, F. Palomba, G.Pica, M.Salluzzo, R.Vaglio, C. Oliviero, G.Panariello, R.Monaco, A.Guidarelli-Mattioli, S.Cieri, A.Matrone, E.Petrillo, "Forward coupled high temperature superconducting filters for DCS1800 mobile phone base stations”, Prooceedings EUCAS, Sitges, Barcellona, 1999

3)       A.Andreone, M.Iavarone, F. Palomba, G.Pica, M.Salluzzo, R.Vaglio, G.Cosentino, G.Panaqriello, R.Monaco, A.Guidarelli-Mattioli, S.Cieri, A.Matrone, E.Petrillo ”A hybrid superconducting/semiconducting front-end receiver for mobile telecommunications base-stations, Prooceedings of the 4th Acts Mobile Communications Summit, ACTS ‘99, Vol. 2 , p. 1043-49 (1999).

 

Comunicazioni a congressi nazionali

1)       A. Andreone "Filtri superconduttori per stazioni base di telefonia mobile" ,: Relazione ad invito LXXXV Congresso Nazionale Societa' Italiana di Fisica, Pavia, 20-24 settembre 1999

2)       A. Andreone "Dispositivi superconduttori", Scuola Nazionale Fisica della Materia, Genova, Settembre 1999.

 

 

 

STRUTTURA DELLA MATERIA TEORICA

SISTEMI FISICI REALISTICI UNIDIMENSIONALI

L. Campana, A. Caramico D'Auria, F. Esposito, U. Esposito  

Attività 1999

L’attività di ricerca si è svolta, come previsto, sulla caratterizzazione di molecole complesse multifunzionali modellate mediante computer. Abbiamo ottenuto una interpretazione del cluster metallico Ni12 in termini di un modello a spin localizzati usando metodi di teoria dei gruppi per sfruttare l’invarianza dell’hamiltoniana  per rotazione. Sono state anche gettate le basi per l’applicazione di tecniche perturbative  per un altro importante aggregato, il Mn12, implementando procedure di simulazione numerica su larga scala sia parallele che vettoriali.

Questa ricerca si è svolta in collaborazione con un gruppo della Computer Physics Division dell’Università di Poznan, che dispone dei supercomputer necessari per eseguire i programmi sviluppati dal nostro gruppo.

 

Programma 2000

La scoperta di una drastica caduta della suscettività magnetica del CuGeO3 al di sotto della temperatura TSP= 14.3K nel 1993 ha stimolato numerose ricerche sia teoriche che sperimentali sui sistemi di spin unidimensionali frustrati. Questo fenomeno è stato attribuito a una transizione di fase di `spin-Peierls' che si manifesta quando una catena di spin quasi unidimensionale subisce una dimerizzazione a causa della distorsione del reticolo. Per descrivere le propriet\`{a} del CuGeO3 è stato proposto un modello di Heisenberg antiferromagnetico con interazioni `nearest neighbor' (nn) e `next-nearest neighbor' (nnn). Il nostro progetto è di includere i gradi di libertà del reticolo nella hamiltoniana scritta sopra ricorrendo a un approccio fenomenologico. La struttura cristallografica di equilibrio nella fase dimerizzata può essere determinata imponendo la condizione di minimo al potenziale termodinamico. La nostra idea è di sviluppare il potenziale di Gibbs in termini della distorsione statica e di trovarne la rappresentazione mediante le corrispondenti funzioni di correlazione spin-spin che possono essere calcolate mediante un nuovo schema della Matrice di Trasferimento Quantistica proposto da Kamieniarz, Bielinski e Renard.

 

 

 Pubblicazioni

1)       A.Caramico D'Auria, F. Esposito, U. Esposito, D. Gatteschi, G. Kamieniarz, S. Walcerz Characterization of the S=1 Molecular Magnetic Chains'' J. Magn. Magn. Mat., 196-197, 589 (1999)

2)       Caramico D'Auria, F. Esposito, U. Esposito, G. Kamieniarz, R. Matysiak: “Transfer.matrix simulations of the antiferromagnetic chains and mesoscopic ringsJ. Magn. Magn. Mat., 196-197, 915 (1999)

3)       Caramico D'Auria, F. Esposito, U. Esposito, D. Gatteschi, G. Kamieniarz, S. Walcerz: “Simulations of the Molecular-Based S=1 Magnetic ChainsMol. Cryst. Liq. Cryst., 335, 1387 (1999)

4)       Caramico D'Auria, L. De Cesare, L. Mercaldo, I. Rabuffo  Renormalization Group and Variational Treatments for a d-dimensional sine-Gordon Model with Correlated Random FieldsPhysica A, 274, 410-418 (1999)

 

 

TEORIA DEI SISTEMI A MOLTI POLARONI  E CONNESSIONI CON LA SUPERCONDUTTIVITA' AD ALTA Tc

V. Cataudella, G. De Filippis*, G. Iadonisi, E. Piegari*

 

Attività 1999

Il coefficiente di assorbimento ottico nell’infrarosso per polaroni grandi è stato calcolato. Per tener meglio in conto i risultati sperimentali si sta completando un lavoro in cui sia il contributo dei polaroni grandi che di quelli piccoli è considerato. Il confronto dei risultati con l’esperimento migliora significativamente. E’ stata trovata una funzione d’onda variazionale, di chiaro significato fisico, che dà energie polaroniche, anche nella regione di transizione da polarone grande a piccolo, coincidenti con quelle trovate con sofisticati calcoli numerici su reticolo. E’ iniziato pure il calcolo dell’intero spettro di un bipolarone grande per valutare in maniera diretta le proprietà ottiche e di trasporto. E’ iniziato lo studio della transizione di un bipolarone dal regime di bipolarone grande a quello piccolo. E’ infine iniziato lo studio di un sistema a molti elettroni a una, due e tre dimensioni in cui sia presente sia l’interzione elettrone-fonone che interazioni di spin. Lo scopo è di mostrare una significativa influenza reciproca delle due interazioni.

 

Programma 2000

Si porteranno a termine le ricerche iniziate nel 1999 e ci si concentrerà sui sistemi a molti elettroni con interazione elettrone-fonone ed interazioni di spin nel tentativo di comprendere il diagramma di stato delle peroskiti manganiti

 

Pubblicazioni

1)       G. Iadonisi, V. Cataudella, G. De Filippis, “Coexistence of large and small polarons and relative optical infrared in peroskitic materials”, Physica B,  265, 146 (1999)

2)       V. Cataudella, G. De Filippis, G. Iadonisi, “Optical properties of an interacting large polaron gas”, European Physical Journal B 12, 17 (1999)

3)       G. De Filippis, V. Cataudella, G. Iadonisi, “Normal state properties of an interacting large polaron gas”, European Physical Journal B 8, 339 (1999) 

4)       V. Cataudella, G. De Filippis and G. Iadonisi, “A new variational approach for the Holstein Molecular Crystal Model”, Phys. Rev. B 60, 15653 (1999)

 

 

EMISSIONE DI LUCE DA SILICIO POROSO

F. Buonocore*, G. Cantele*, L. Lancellotti*, G. Iadonisi, F. Liguori*, D. Ninno

 

Attività 1999

Il modello proposto per la descrizione del silicio poroso è stato utilizzato per il confronto con l’esperimento delle energie di assorbimento e quelle di emissione, caratterizzate da un grande Stokes shift, da una grande efficienza di emissione e da significative influenze su esse dal tipo di molecole circostanti i fili nanometrici.

Per fili di lunghezza finita ciò porta ad effetti diversi sulla posizione dell’edge di banda e di conseguenza sulle energie di localizzazione degli elettroni e delle lacune dovute alle irregolarità del filo.

Il buon dettaglio con cui si descrivono i vari contributi ha portato alla deposizione di due brevetti riguardanti la rivelazione dell’ossigeno in ambiente inerte e ad un metodo originale per costruire contatti omhici su silicio poroso.

Sono state pure studiati gli stati elettroni di impurezze poste in fili quantici (lavoro in fase di pubblicazione). Una competizione di localizzazione nasce tra le impurezze e le irregolarità dei fili quantici che porta a formazione di carica spaziale nel filo con conseguenze, da studiare, sulle proprietà di trasporto.

Infine è stato dimostrato che ove le superfici dei fili possano localizzare gli elettroni lungo la direzione perpendicolare, nascono stati localizzati nei punti di massima curvatura della superfice (lavoro in fase di pubblicazione)

Si è iniziato pure lo studio di sistemi a due elettroni correlati nei fili quantici.

 

Programma 2000

Lo sforzo principale sarà rivolto allo studio di sistemi elettronici fortemente correlati e localizzati nei fili con lo scopo di calcolarne le proprietà ottiche e di trasporto. 

 

Pubblicazioni

1)       D. Ninno, G. Iadonisi, “Carrier localizzaztion and photoluminescence in porous silicon”, Solid State Comm. 112, 521 (1999)

 

Comunicazioni a conferenze internazionali

1)        D. Ninno, G. Iadonisi, F. Buonocore, G. i Francia, , con presentazione della comunicazione orale “A theory for porous silicon reactivity to gas environment” Eurosensors XIII (Europen Conference on solid State Transducers), The Hague 1999

 

Comunicazioni a conferenze nazionali

1)       Francia, L. Quercia, V. La Ferrara, L. Lancellotti, D. Ninno, C. Baratto, G. Faglia, G. Sberveglieri, , “Application of porous silicon as a Gas ”, ENEA Workshop on Biological Sensors, Roma 1999

 

Brevetti

1)       Brevetto n. rm 99a000752, depositato il 10-12-99, “Dispositivo sensore a base di silicio cristallino, in particolare per la rilevazione di ossigeno a temperatura ambiente in atmosfera inerte”

2)       Brevetto n. ge99a000146, depositato il 29-12-99, “Metodo per la fabbricazione di dispositivi a stato solido”   

 

 

PROBLEMI RELATIVISTICI E GETTERING NEL SILICIO

B. Preziosi

Attività 1999

In numerosi costosi e raffinati esperimenti, condotti in anni recenti, e’ stata esaminata la possibilita’di misurare in esperimenti prossimi alla Terra effetti dovuti alla eventuale anisotropia dello spazio, suggerita dalla scoperta della anisotropia della radiazione di fondo (Phys. Rev. Lett, 39, 898, 1977).

Tutti gli esperimenti non rivelavano effetti di anisotropia. Nel lavoro n. 1 si e’ dimostrato che il principio di equivalenza non consente di rilevare localmente una struttura anisotropa dello spazio.

In altre parole, l’esistenza di un sistema privilegiato non puo’ essere rivelata localmente.

-Nel lavoro n. 2, in collaborazione con R. de Ritis e G. Marmo, dimostriamo che le uniche trasformazioni lineari compatibili con il principio di “mutua esistenza oggettiva” (un fenomeno che evolve per un osservatore deve evolvere per ogni osservatore) e con l’identità degli orologi sono quelle di Lorentz e di Galilei. Inoltre, se la trasformazione e’ di tipo Lorentz, lo spazio deve avere struttura euclidea, mentre nel caso Galileiano la struttura spaziale puo’ essere qualsiasi.

 

Programma 2000

-Il lavoro n. 2 non e’ di facile lettura per uno studente dei primi due anni del corso di laurea in fisica. Si sta completando una riformulazione che abbia una veste semplificata e maggiormente fruibile.

Seguendo una analoga linea si sta elaborando una trasformazione che, partendo dagli stessi principi primi,

leghi tra loro sistemi in moto relativo uniformemente accelerato.

E’ in fase di completamento un lavoro, in collaborazione con Marigliano, in cui si analizzano i processi di diffusione e di gettering utilizzati dalla ST per la produzione di wafer. Il problema di maggiore interesse riguarda la possibilità di estendere il procedimento a wafer di bassa qualità di interesse per applicazioni fotovoltaiche.

 

Pubblicazioni

1)       B. Preziosi: A note on light velocity anisotropy, General Relativity and Gravitation, 31, 157, 1999

2)       R. de Ritis, G. Marmo e B. Preziosi: “A new look at relativity transformations”, General Relativity and Gravitation, in stampa nel numero di maggio 1999

 

 

SISTEMI MESOSCOPICI  E   FLUTTUAZIONI QUANTISTICHE

V.Marigliano Ramaglia, A.Tagliacozzo, F.Ventriglia,G.P.Zucchelli, C.Biagini*, D.Giuliano*, B.Jouault*, G.Faini*, G.Santoro*.  

Attivita' 1999

- Conduttanza Kondo in Dot quantistici.

Dot isolati  con pochi elettroni sono caratterizzati dal numero di elettroni N e dallo spin totale S. Questi numeri quantici si conservano se l'accoppiamento con cotatti è debole e se un  voltaggio di gate mantiene il dot isolato.  Tuttavia, un abbassamento della temperatura in queste condizioni fa nascere  un'anomalia nella conduttanza a voltaggio zero  se N e' dispari, che viene attribuita all'  analogo dell'effetto Kondo. Applicando un campo magnetico ad un  Dot con numero pari di elettroni,tale da produrre un incrocio di livelli energetici, troviamo che lo stesso effetto puo' accadere in questo caso. Il parziale schermaggio dello spin del dot dovuto agli elettroni dei contatti in condizioni di forte correlazione comporta che sul  Dot  vi sia N  pari  ed  S semi-intero.

-  Contatto  a punta  quantistico in campo magnetico.

Si studiano le risonanze di Fano sul sistema delle sottobande di una striscia bidimensionale in campo magnetico trasverso, indotte da una barriera. Questo consente di studiare il trasporto balistico attraverso un  di un contatto a punta quantistico.

- Eccitazioni  elementari in sistemi bidimensionali

Nel contesto dello studio dei progenitori dei materiali HTc, si intende caratterizzare la transizione di un sistema elettronico bidimensionale tra la fase antiferromagnetica (AF) a drogaggio nulla e quella di isolante a bande non magnetico. Nella fase di isolante a bande, l'eccitazione di bassa energia e' data da un tripletto eccitonico, mentre nella fase AF  essa e' costituita dall'onda di spin. Entrambe tali eccitazioni hanno spin intero. Esattamente al punto critico, tuttavia, il sistema esibisce frazionalizzazione dello spin, vale a dire, l'eccitazione di bassa energia dovrebbe essere l'analogo dello ``spinon'', la ``mezza onda di spin'' che Faddeev e Taktajan dimostrarono essere l'eccitazione elementare di antiferromagneti interagenti a spin 1/2 in una dimensione. Stati legati di spinons possono essere misurati, per esempio,  in un esperimento di diffusione di neutroni, il che rende la teoria sperimentalmente falsificabile.

- Fase di liquido di Luttinger  indotta da forte campo magetico in metalli.

Un forte campo magnetico applicato ad un metallo tridimensionale induce una riduzione efficace della dimensionalita' da 3D a 1D. Cio' e' ancora piu' evidente nel limite fortemente quantistico quando e' occupato solo il livello di Landau piu' basso. In un sistema di elettroni interagenti  questa riduzione effettiva della dimensionalita' puo' produrre fasi inusuali come onde di densita' di carica  o spin  (C/SDW), oppure isolante eccitonico o superconduttivita' rientrante. Si studia la possibilita' che le proprieta' del  sistema evolvano  adiabaticamente col crescere del campo verso quelle di un Liqudo di Luttinger.

 

Programma 2000

Si indagheranno inoltre gli effetti di correlazione in un Quantum Dot, ed effetti di polarizzazione dello  spin  indotti dallo spin-orbita. Si intende valutare l' effetto di una carica uniforme presente nel fondo di un reticolo quantistico di giunzioni Josephson sulla   transizione Superconduttore-Isolante. Si usa il modello XXZ che si riconduce per gli stati di bassa energia ad un Modello Sigma non Lineare

 

Pubblicazioni

1)       D. Giuliano, A. Tagliacozzo `` Non perturbative tunneling between Integer Quantum Hall edge states via a Quantum Dot'' in Proceedings of the Sixth Int. Conf. :``Path Integrals from peV to TeV ``, August 25-28, 1998, Florence (Italy) , R. Casalbuoni, R. Giachetti, V. Tognetti, R. Vaia & P. Verrucchi ed.s, World Scientific Publ.  Co. (Singapore), (1999)

 2)       C.Biagini,B.Altshuler: Lecture Notes at Chia INFM-INFN School (1997) to appear in ``Field Theories for low dimensional Condensed Matter Systems'' (Springer 99)

 

 Comunicazioni a congressi internazionali

1)       G. Faini, B. Jouault, F. Laruelle, A. Forchel, A. Angelucci, G. Santoro, A. Tagliacozzo, cond-mat 9810094 and ``Shell filling in a non linear transport experiment'' in ``Electron Transport in Mesoscopic Systems Conference programme and Abstracts, held in Goeteborg (Sweden) August 12-15 1999, Goeteborg University Publ.