Esperienza di interferenza di singolo elettrone con doppia fenditura e sensore ad alta risoluzione temporale.
Gabriele Balbi, Raffaele Berti, Alberto Costa, Stefano Frabboni, Alessandro Gabrielli, G. C. Gazzadi, Filippo Maria Giorgi, Gioṙgio Matteucci, Stefano Patuelli, Giulio Pozzi, Nicola Semprini-Cesari, M. Villa, Antonio Zoccoli
Un esperimento di alto valore didattico e concettuale è l'interferenza di singolo elettrone. A 30 anni dai primi esperimenti in questo campo oggi ci sono le condizioni per ripetere l'esperienza di interferenza (alla Young) da singolo elettrone, utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione attrezzato con due fenditure nanometriche e con una matrice di sensori in tecnologia CMOS MAPS. La matrice è parte del chip APSEL4D progettato per la Collaborazione INFN Slim5. Il chip è costituito da 4k pixel, con risoluzione spaziale di 15 µ m e risoluzione temporale di 1 µ s, sensibili alla singola particella al minimo di ionizzazione.
Un esperimento di alto valore didattico e concettuale è l'interferenza di singolo elettrone. A 30 anni dai primi esperimenti in questo campo oggi ci sono le condizioni per ripetere l'esperienza di interferenza (alla Young) da singolo elettrone, utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione attrezzato con due fenditure nanometriche e con una matrice di sensori in tecnologia CMOS MAPS. La matrice è parte del chip APSEL4D progettato per la Collaborazione INFN Slim5. Il chip è costituito da 4k pixel, con risoluzione spaziale di 15 µ m e risoluzione temporale di 1 µ s, sensibili alla singola particella al minimo di ionizzazione.
ABSTRACTQuesto lavoro introduce un’estensione del modello di interazione fotone–elettrone (versione 3.0),proponendo una reinterpretazione fisica esplicita del ruolo della misura nei fenomeni diinterferenza.Il punto di partenza è il riconoscimento che la fenditura non rappresenta una regione di vuoto, mauna zona delimitata da materia, in cui gli elettroni esterni del materiale definiscono un campoelettromagnetico reale e distribuito nello spazio. È proprio questa configurazione elettronicasuperficiale — dinamica e non uniforme — a costituire il sistema con cui il campo del fotoneinteragisce.Nel modello proposto, il fotone non è trattato come una particella puntiforme, ma come unastruttura di campo che attraversa nel tempo una regione caratterizzata da un campo elettronicoorganizzato. Il pattern di interferenza emerge quindi dall’interazione continua tra il campo fotonicoe la distribuzione degli elettroni esterni delle fenditure, che perturbano, ritardano e riconfiguranolocalmente il campo incidente.Per descrivere in modo operativo questa dinamica, viene introdotto un operatore efficace delsistema materiale (scatola grigia), che riassume in forma unificata i processi di scattering,assorbimento, riemissione e interazione elettronica. Questo operatore non è arbitrario, ma dipendedirettamente dalla configurazione elettronica del materiale, e determina la trasformazione del campoincidente in uscita e quindi la formazione del pattern osservato.All’interno di questa struttura, la misura viene reinterpretata come un’interazione elettromagneticareale che agisce sulla regione della fenditura prima del passaggio del fotone. Il campo introdottodallo strumento modifica la distribuzione degli elettroni esterni, alterando il campo elettronicolocale. Di conseguenza, il fotone attraversa un sistema già riconfigurato, e il pattern risultanteriflette questa nuova condizione fisica. La perdita di interferenza non è quindi un effetto postulato,ma la conseguenza diretta della modifica del sistema elettronico.Questo porta a un cambio di prospettiva: la misura non rappresenta più un problema interpretativo,ma diventa una risorsa fisica. Il pattern osservato contiene informazione sulla risposta del sistema e,attraverso un processo di reverse engineering, è possibile risalire alla configurazione del campoelettronico efficace e quindi alle proprietà del materiale.Il lavoro definisce inoltre una struttura algoritmica preliminare, base del modello 4.0, in cui ilprocesso viene descritto come una pipeline dinamica che coinvolge campo incidente, operatoremateriale e risposta osservabile. I risultati preliminari indicano coerenza con i fenomeni noti esuggeriscono la possibilità di utilizzare l’interferenza come strumento di analisi della strutturaelettronica dei materiali.Questa estensione non sostituisce i modelli esistenti, ma propone una descrizione esplicita delmeccanismo fisico locale, collegando interferenza, misura e proprietà dei materiali all’interno diun’unica struttura coerente.
Le tecnologie che sfruttano le proprieta della meccanica quantistica possono essere considerate il prossimo passo piu significativo nell'evoluzione della scienza dell'informazione e delle telecomunicazioni, considerando che quello precedente e stato lo sviluppo dei micro-transistor e delle comunicazioni wireless (senza fili). Teoricamente, persino i computer quantistici di piccole dimensioni potrebbero superare, in quanto a prestazioni, i piu grandi e potenti supercomputer, cosi come le telecomunicazioni quantistiche potrebbero consentire, in modo assolutamente sicuro, nonche senza il minimo rischio di perdita, lo scambio ultra-veloce di informazioni, perfino sulle piu lunghe distanze. Naturalmente, l'importanza di tali tecnologie ha comportato negli ultimi due decenni un grande impiego, da parte di istituzioni sia pubbliche che private, di risorse nel campo della ricerca e dello sviluppo, dando adito ad importantissimi sviluppi tecnologici e scoperte scientifiche.
Tuttavia, ad oggi nessuna di queste tecnologie e stata dimostrata su una piattaforma completa, autonoma e puramente quantistica. Questo in parte poiche la natura quantistica del mondo non e stata ancora compresa appieno ed i suoi principi basilari insinuano il dubbio nella comunita scientifica; in parte poiche le tecnologie odierne non sono in grado di supportare complicati processi quantistici. Una soluzione per entrambe le suddette questioni e stata proposta per essere messa in atto da simulatori, in grado di simulare o performare semplici imput quantistici, utilizzando cosi una piattaforma che potrebbe potenzialmente far intuire meglio la natura della teoria quantistica, ed allo stesso tempo dimostrerebbe il potenziale delle applicazioni quantistiche.
In questa tesi, il femtosecond laser micromachining e stato utilizzato per realizzare circuiti fotonici integrati, che permettono di propagare, controllare e modificare singoli fotoni, in substrati di vetro. Questa tecnologia permette di sviluppare in maniera semplice complicati strumenti ottici, i simulatori quantici, designati all'emulazione di processi quantici attraverso l'uso di singoli fotoni. In particolare, questo esperimento, che e la dimostrazione di una vera e propria simulazione fotonica quantistica, ha permesso per la prima volta di raggiungere l'obiettivo di simulare l'evoluzione di multiple eccitazioni in una catena di spin (catena di rotazione). Un esperimento che testa la proprieta fondamentale del quanto nel contesto della fisica quantistica, dimostrando l'importanza della piattaforma nell'indagine dei fondamentali concetti della fisica. Inoltre, e stato condotto con successo un esperimento sullo sviluppo di un set completo di componenti integrate di processi di polarizzazione per la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Ed infine sono stati raggiunti significanti miglioramenti nel processo della fabbricazione, permettendo la realizzazione di waveguide arrays (schieramenti d'onda) per i percorsi di quanti multiparticellari.
Il centro azoto-vacanza (NV) nel diamante e stato mostrato come un candidato entusiasmante per applicazioni di rilevamento e calcolo quantistico a causa dellungo tempo di coerenza dello spin dell'elettrone nel centro NV e della sua capacita di essere trovato, manipolato e letto otticamente. Una piattaforma fotonica integrata in diamante sarebbe vantaggiosa per la magnetometria di spin e la computazione quantistica basati sul NV rilevati otticamente, in cui i centri NV sono collegati otticamente per l'entanglement quantistico a lungo raggio grazie a la integrazione e a la stabilita fornite dalle guide d'onda ottiche monolitiche. Manca finora un metodo di fabbricazione in grado di produrre i centri NV su richiesta, preservando l'eccellente coerenza degli spin all’interno delle guide d'onda ottiche che permeta la eccitazione il raccoggimento della luce dal centro NV.
In questo lavoro, abbiamo utilizzato la scrittura laser a femtosecondi per formare guide d'onda 3D sepolte in diamante. Progettando la geometria della guida d'onda di tipo II, abbiamo ottenuto la guida a singolo modo dalle lunghezze d'onda visibili a quelle dell'infrarosso. La caratterizzazione della fotoluminescenza ha rivelato che le proprieta delle NV sono state conservate all'interno della guida d'onda. Siamo anche stati in grado di creare singoli centri NV su richiesta in diamante ultrapuro utilizzando un singolo impulso da un laser a femtosecondi. La alta qualita delle propieta delle centri NV create e confirmata da misure di risonanza magnetica rilevate otticamente. Con questi blocchi costitutivi, abbiamo fabbricato un dispositivo integrato fotonico che contiene guide d'onda ottiche accoppiate a centri NV posizionati deterministicamente all'interno della guida. Le singole NV sono state eccitate e le loro emissioni raccolte dalle guide d'onda ottiche, consentendo un interfacciamento facile con le fibre ottiche standard per una piattaforma di fotonica quantistica integrata.
Questo progetto intende fornire una soluzione di natura elettronica al problema dell'individuazione di due eventi che si manifestano in istanti temporali molto ravvicinati tra loro. Piu precisamente, parliamo di segnali elettrici con determinate caratteristiche di intensita e durata, provenienti, dopo la necessaria conversione, da un sistema di tipo quantistico.
Il lavoro svolto e la continuazione e l'ampliamento di quanto precedentemente realizzato dai colleghi Marco Pezzini e Andrea Merlin nell'ambito della loro tesi di laurea;
l'ambiente in cui e stato sviluppato e il Laboratorio Luxor dell'Universita di Padova, all'interno del quale e stato possibile accedere a tutta la strumentazione necessaria per i test sperimentali.
In questo elaborato si vuole dare una visione il piu possibile ad ampio raggio dell'argomento di interesse. Introdurremo i concetti di meccanica quantistica, fondamentali per comprendere il contesto in si opera, e quindi passeremo a descrivere
il fenomeno sico, l'entanglement, di cui ci proponiamo di realizzare uno strumento di misura. Dalla dimensione ottica, nota la procedura di conversione dei fotoni in segnali elettrici, sposteremo la nostra attenzione alle metodologie che permettono la rivelazione di intervalli temporali molto brevi e, dopo aver motivato la scelta dell'hardware adatto alle nostre esigenze e averne elencato le funzionalita, partiremo con la descrizione del progetto vero e proprio. Seguira un capitolo dedicato ai test sperimentali eseguiti per valutare qualita e punti deboli del dispositivo realizzato e, in ne, verranno tratte le dovute conclusioni prospettando nuovi scenari che permettano
di risolvere eventuali problemi rimasti irrisolti e migliorare le prestazioni complessive del sistema sviluppato
In questo lavoro di tesi vengono utilizzate diverse tecniche di micro-fabbricazione per la realizzazione di dispositivi ottici integrati con applicazioni nell'ambito dell'informazione quantistica, in particolare per la generazione e la manipolazione di stati quantistici basati su fotoni. Sfruttando la tecnica di fabbricazione tramite laser a femtosecondi, sorgenti di singoli fotoni e fotoni entangled sono state integrate su chip. In aggiunta, la stessa tecnica ha permesso la realizzazione di dispositivi insensibili alla polarizzazione per la manipolazione di stati quantistici codificati nella polarizzazione dei singoli fotoni. L'ottimizzazione delle prestazioni e del controllo degli sfasatori termici, che rappresentano componenti essenziali per ampliare le funzionalita dei circuiti ottici integrati, ha permesso di estendere ulteriormente le capacita di tale tecnica di fabbricazione. Infine, una nuova piattaforma basata su guide in ossinitruro di silicio e stata sviluppata all'interno di PoliFab, il centro per le micro- e nano-fabbricazioni del Politecnico di Milano.
Nella tesi è discusso il comportamento degli oscillatori ottici parametrici (OPO) come sorgenti di luce non classica. La prima parte è dedicata allo studio e alla realizzazione di un “OPO degenere” in grado di emettere radiazione con fluttuazioni sulla fase del campo elettrico al di sotto del limite classico (vuoto squeezed). L’uscita dell’OPO è analizzata in funzione di diversi parametri (ampiezza del fascio di pompa, perdita extra e detuning della cavità). Sono riportati i risultati sperimentali relativi alla rivelazione ed un modello teorico in grado di spiegarne l’andamento. E’ proposto e testato sperimentalmente uno schema sull’ uso di vuoto squeezed in misure di assorbimento a basso numero di fotoni. La seconda parte della tesi è dedicata allo studio ed alla realizzazione di un “OPO non degenere” (NOPO) per la generazione di fasci correlati quantisticamente. E’ proposto uno schema teorico in grado di fornire una caratterizzazione completa della correlazione tra i fasci tramite la matrice di covarianza. Nell’ultima parte della tesi è discussa la realizzazione sperimentale di un NOPO basato su un cristallo non lineare di tipo poled.