Spettroscopia ottica di sistemi disordinati

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Arrigo Marini
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1 Spettroscopia ottica di sistemi disordinati R. Eramo Laboratori LENS: Disordered systems (HD-TG), Ultrafast Spectroscopy (OKE) Laboratorio Raman Dip. Fisica (High-Res Raman) (Brillouin)

2 1 PO, 4 R, 1 PD, 1 D, 2 L Andrea Taschin PD Paolo Bartolini R Marilena Ricci R Jacopo Malfanti L Riccardo Cucini L Carolina Ziparo D Roberto Eramo R Fabrizio Barocchi PO Renato Torre R

3 Sistemi Acqua Pura (sottoraffreddata) Soluzioni saline/zuccherate Acqua confinata (vycor) Microemulsioni (PFPE, AOT) Tecniche sperimentali Heterodyne Detected Transient Grating Optical Kerr Effect Spectroscopy High Resolution Raman Spectroscopy

4 NON-LINEAR SPECTROSCOPY Time-resolved four wave mixing E 1 χ E pr E s E 2 Probing Excitation τ Time

5 The pressure waves modulate the grating amplitude at the sound frequency Decay of the sound HD-TG data on PFPE water-in in-oil microemulsions δε Decay of the grating by thermal diffusivity Due to water O-H ir overtone absorbtion W/S/O has δt o driving term Processi Acustici, Termici Without water: no thermal absorbtion (just electrostictive force is driving the grating) Strutturali Dati di elevata qualita per lo studio della Dinamica delle Fluttuazioni di Densita Accesso ad una Finestra temporale estesa (6 decadi) da fast (nsec) a slow (msec)

6 Time-resolved Optical Kerr Effect E signal E ex polarizer sample 4 Studio della Dinamica Rotazionale (e Traslazionale per polar. Isotropa) Accesso ad una finestra Temporale estesa (4 decadi) Dinamica Veloce ~50 fs Dinamica lenta (con sonda CW) ~ 1 ms E probe τ K 280 K LS data OKE data 280 K Il rumore interviene in regioni spettrali diverse per le due tecniche: utile avere entrambe Time Domain Frequency χ''(ω) K 300 K m-toluidine 273 K 0 Domain Frequency [GHz]

7 Attivita recente e futura Effetti di rilassamento: memorie caratteristiche della risposta di sistemi vetrosi o sottoraffreddati (acqua, glicerolo, metatoluidina), effettidiconfinamento Microemulsioni: è possibile osservare effetti di percolazione con le nostre misure? Esistono effetti di confinamento di acqua per questo tipo microemulsioni? (PFPE acqua-in-olio, AOT) Spectroscopia di Effetto Kerr: messa a punto di un sistema a range temporale esteso presso il LENS (CW/Pulse probing: 1 ms-1 fs) Possibilità di misure ad alta pressione (~ 1 KBar) di acqua sottoraffreddata Integrazione tra le misure OKE e la spettroscopia Raman ad alta risoluzione (spettrometro Sopra, presso il Dip. di fisica)

8 Fine

9 Liquid polymer glass-former example Range Misure OKE Our goal Supercooled and glass dynamics Photo-correlation spectroscopy A standard OKE set-up allows to investigate a time range nearly coincident with the light scattering one (it is necessary to stretch the pulses at longer times) By adding a CW probing capability(*) (eg. VERDI as probe, fast pd+ digital oscilloscope, as in a TG experiment) the OKE set-up overlaps the photo-correlation spectroscopy range (*) Faier Ligth scattering log(t) 1 ms 1 µs 1 ns 1 ps 1 fs Impulsive Time-Resolved Spectroscopy CW probing-pulsed excitation Pulsed probing-pulsed excitation

10 Nuova facility OKE al LENS Ti:Sa, Kerr lens, Mode-Locked 80 Mhz, 0.5 W (5 nj, 20 fs) CW pump Oscillator Millennia 5W, 532 nm Stretcher Amplifier KHz pump 1 Khz 800 nm (500 µj, 50 fs) Compressor 1 Khz 800 nm (500 µj, 50 fs) Nd:YAG, diode-pumped Q-switched, 1 Khz, 10 W

11 Set-up per la misura di Effetto Kerr Ottico con rivelazione eterodina P2 DPD BOXCAR SAMPLE NDF PC L1 ODL λ/4 P1 P0 Pump BS1 Probe Torre, Bartolini, Righini Nature (2004) BS2 Chopper

12 Reticolo Transiente (HD) E s V θ q Dati di elevata qualita per lo studio della Dinamica delle Fluttuazioni di Densita Accesso ad una Finestra temporale estesa (6 decadi) E ex H da fast (nsec) a slow (msec) o-ter-phenyl E ex T = 283 K E pr Processi Acustici, TG Signal Termici Strutturali Time [µs]

13 Set-up per la misura di Reticolo Transiente con Riveazione eterodina M DM CL1 λ=532 nm CW single-mode Laser CW probe Chopper λ=1064 nm, t=100 ps Regenerative Amplifier M Pulsed Excitation CL2 Nd-YAG Mode-locked Laser M Phase Control E ex Neutral Filter Interferential Filter E l E pr APD M Phase Grating AL1 E pr E ex AL2 Sample E l +E S Digital Oscilloscope

14 Misure sui parametri critici dell acqua sottoraffreddata Is it experimentally posssible to undercool water in the high pressure cell? Can a water OKE (or a High Resolution Light Scattering) 100 Mpa put in evidence new effects on T s, τ and β?

15 Spettrometro Hiresuv About 45m path length!! He athmosphere required!

16 Cella HP Pressure range: 3 Kbar Buffer gas: He Sample Cell: Qv 4x4x7 mm G. Pratesi, R. Ballerini (LENS)

17 Confronto OKE/Raman

18 Confronto OKE/ scattering Raman Depolarizzato The experimental noise affects different spectral ranges for the two tecniques: usefull to have both measurements

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