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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Metrologia Raman coerente dell’idrogeno molecolare

Premessa: le tesi sono collegate all’attività di ricerca del laboratorio CHROME in tema di metrologia Raman Coerente dell'idrogeno molecolare

 

Esperimenti vs teoria ab-initio per le energie di transizione vibrazionali H2
La tesi verte sulla determinazione sperimentale ultra accurata delle energie di diverse transizioni di branca Q ed S della banda fondamentale di vibrazione di H2, che ricadono nell'intervallo 4000-4600 cm-1. L'eccitazione molecolare è ottenuta con un approccio Raman coerente che si serve di due fasci laser cw, i cosiddetti fasci di pompa e Stokes (a frequenza angolare ωp e ωS, rispettivamente), la cui differenza di frequenza viene fatta corrispondere alla frequenza vibrazionale della transizione, secondo lo schema rappresentato in figura. Per poter fare misurazioni accurate della frequenza vibrazionale, entrambi i laser vengono calibrati rispetto a un orologio atomico attraverso l'interposizione di un pettine di frequenza ottico (invenzione che ha dato il premio Nobel per la fisica nel 2005), che può essere pensato come un righello assoluto per le frequenze ottiche. Poiché le misurazioni vengono eseguite a diverse pressioni sotto la perturbazione delle collisioni, gli spettri Raman coerenti vengono “fittati” con opportuni codici multi-spettro per estrapolare le energie di transizione a pressione zero e confrontarle con i calcoli ab-initio della molecola a riposo.

 

Metrologia ottica di righe rotazionali tramite spettroscopia Raman coerente assistita da pettini di frequenza
Utilizzando lo stesso approccio sperimentale descritto sopra per la banda vibrazionale fondamentale dell'idrogeno molecolare possono essere misurate anche linee puramente rotazionali (come le linee S rappresentate in Fig. 1). L'approccio Raman coerente offre infatti la specificità di poter popolare i canali rotazionali utilizzando laser nel vicino infrarosso invece che sorgenti nel lontano infrarosso utilizzate nella convenzionale spettroscopia di assorbimento. La calibrazione in frequenza dei laser di pompa e Stokes sul pettine di frequenza ottico aggiunge la novità di poter eseguire esperimenti di spettroscopia rotazionale con un asse di frequenza assoluto, di grande interesse per un confronto con calcoli ab-initio delle energie di rotazione. Questo approccio sarà applicato a molecole biatomiche come H2, D2 e N2 nonché a molecole come CO2 e C6H6, la cui simmetria impedisce qualsiasi transizione rotazionale in assorbimento mediata dal dipolo elettrico della molecola.

 

 

Aspetti formativi delle tesi
Oltre a un approfondimento su diversi argomenti di fisica, vale a dire spettroscopia molecolare, spettroscopia Raman coerente, fisica collisionale e metrologia ottica con pettini di frequenza ottici, l'attività di tesi offre la possibilità di una formazione intensiva su un gran numero di aree sperimentali : i) allineamento di setup ottici complessi, ii) acquisizione ed elaborazione di dati con schede di tipo FPGA; iii) stabilizzazione attiva di parametri ottici, elettrici e fisici mediante anelli di controllo di tipo PID (derivativa integrativa proporzionale), utilizzati per la frequenza di ripetizione del pettine, l'intensità dei laser di pompa e Stokes, la frequenza del laser della pompa, la pressione e della temperatura della cella; iv) familiarizzazione con la propagazione di fasci gaussiani in spazio libero nonché con accoppiamento dei fasci in fibra ottica; v) tecniche di rivelazione a trasferimento di modulazione, utilizzate per il segnale di Raman scattering stimolato; vi) programmazione in Labview per il controllo remoto di strumenti e l’acquisizione di dati; vii) operazione di calcolo e di fitting di dati sperimentali in ambiente Matlab; vii) gestione di gas ad alta pressione; viii) uso di oscilloscopi, sintetizzatori di radiofrequenza, analizzatori di spettro elettrico, contatori di frequenza, amplificatori lockin.