Noi riconosciamo con gratitudine l&#39;aiuto di Rolf Follath, Roland Hübel, K. Möhler, Dmytro Inosov, Jörg Fink, Andreas Koitzsch, Bernd Büchner, Andrei Varykhalov, Emile Rienks, Oliver Rader, Setti Thirupathaiah, Denis Vyalikh, Sergey Molodtsov, Clemens Laubschat, Ramona Weber, Hermann Dürr, Wolfgang Eberhardt, Christian Jung, Thomas Blume, Gerd Reichardt, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Lindackers Dirk, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, che ha concepito il progetto &quot;1-cubo&quot; , progettato, costruito e commissionato la linea di luce e di fine-stazione e fornito supporto organizzativo e degli utenti. Il progetto &quot;1-cubo ARPES&quot; ​​è stato finanziato dal BMBF borsa di studio &quot;più alta risoluzione ARPES&quot; ​​e direttamente da BESSYII e IFW-Dresda. Questo lavoro particolare è stato sostenuto dal programma prioritario DFG SPP1458, concede ZA 654/1-1, BO1912/3-1 e BO1912/2-2. CE e BPD °ank la Facoltà di Scienze presso l&#39;Università di Johannesburg per il finanziamento di viaggio. AV, RF e MC riconoscere il sostegno della -FP7/2007-2013 dall&#39;UE nell&#39;ambito convenzione di sovvenzione N. 264098 - MAMA.

1. Montaggio del campione <ol><li> Questo esperimento utilizza radiazioni di sincrotrone prodotta dal anello di accumulazione BESSY di Helmholtz-Zentrum Berlin. I fotoni viaggiano linea di luce per il nostro fine-stazione in cui è montato un campione. </li><li> Iniziare con un singolo cristallo del materiale da esaminare, qui ruthenate stronzio. Usare base di argento epossidica per incollare il campione di supporto del campione. La base di argento epossidica garantisce un buon contatto termico ed elettrico. </li><li> Colla di alluminio top-post alla superficie del cristallo singolo. Il top-post sarà utilizzato per scindere il campione in ultra-alto vuoto per esporre una superficie atomicamente pulita. </li><li> Montare il supporto del campione nella serratura carico. </li></ol> 2. Il raggiungimento di ultra-alto vuoto e di isolamento termico <ol><li> Iniziare evacuare la serratura carico per minimizzare la contaminazione del ultra-camera ad alto vuoto. </li><li> Monitorare la pressione. Una volta che una pressione di circa 10 -8 mbar è stataraggiunto, il trasferimento del gruppo alla camera di preparazione, e successivamente al principale dito chamber.The freddo e supporto del campione sono stati progettati appositamente per garantire il contatto ottimale termico con il piatto elio. </li><li> Queste versioni dimostrative mostrano come questo si ottiene utilizzando superfici coniche per aumentare l&#39;area di contatto. Le superfici coniche sono premuti uno contro l&#39;altro e il supporto del campione e dito freddo sono saldamente fissati mediante un dado e bullone di titanio. </li></ol> 3. Posizionamento e di raffreddamento del campione <ol><li> Il passo successivo è quello di orientare il campione all&#39;interno del dito freddo lungo l&#39;azimut utilizzando il braccio di trasferimento. Fissare la posizione del campione stringendo il dado mentre si applica una controspinta con il braccio di supporto fissato al lato opposto della camera. </li><li> Cleave il campione spostando il manipolatore verso l&#39;alto in modo che il top-post viene rimosso mediante interazione con il braccio di supporto. </li><li> Con l&#39;otturatore chiuso fascio, spostare il campione in posizione nella linea di luce utilizzando il manipolatore. Una volta che il campione è a posto, assicurarsi che i cryoshields vengono chiusi correttamente. </li><li> Iniziare a pompare il 1-K pentola e far circolare il gas elio-3 per raffreddare il campione alla temperatura di base. La temperatura viene misurata vicino al campione e non cambia durante l&#39;esperimento. </li><li> Aprire l&#39;otturatore del fascio linea di luce. Utilizzare le viti micrometriche sull&#39;apparecchio per regolare la posizione del campione in modo che sia a fuoco della lente dell&#39;analizzatore. Questa regolazione è fondamentale. </li></ol> 4. Raccolta dei dati <ol><li> Una volta che l&#39;installazione è pronto, passare alla modalità angolo risolto dell&#39;analizzatore e registrare lo spettro in modalità sweep. Questo genererà dati bidimensionali energia angolo trame. </li><li> Costruire una mappa superficie di Fermi utilizzando i dati. Selezionare angoli polari che corrispondono ai passaggi a livello di Fermi per lo studio della superconducting divario di ruthenate stronzio. </li><li> Rilevamento ad alta risoluzione spettri agli angoli scelti polari sopra e al di sotto della temperatura di transizione del superconduttore stronzio ruthenate per investigare il comportamento del gap superconduttore. </li></ol>

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	<li>Borisenko, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-Sign+Order+Parameter+in+Iron+Based+Superconductor.">One-Sign Order Parameter in Iron Based Superconductor.</a> Symmetry. 4, 251-264 (2012).</li><li>Maeno, Y., Hashimoto, H., Yoshida, K., Nishizaki, S., Fujita, T., Bednorz, J. G., Lichtenberg, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superconductivity+in+a+layered+perovskite+without+copper.">Superconductivity in a layered perovskite without copper.</a> Nature (London). 372, 532 (1994).</li><li>Singh, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+of+Sr2RuO4+to+the+superconducting+layered+cuprates.">Relationship of Sr2RuO4 to the superconducting layered cuprates.</a> Phys. Rev. B. 52, 1358 (1995).</li><li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+and+bulk+electronic+structure+of+the+unconventional+superconductor+Sr2RuO4:+unusual+splitting+of+the+&#946;+band.">Surface and bulk electronic structure of the unconventional superconductor Sr2RuO4: unusual splitting of the &#946; band.</a> New Journal of Physics. 14, 63039 (2012).</li><li>St&#246;we, K., Wagner, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crystal+Structure+and+Calculated+Electronic+Band+Structure+of+ZrTe3.">Crystal Structure and Calculated Electronic Band Structure of ZrTe3.</a> Journal of Solid State Chemistry. 138, 160-168 (1998).</li><li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Momentum+and+temperature+dependence+of+renormalization+effects+in+the+high-temperature+superconductor+YBa2Cu3O7-&#948;.">Momentum and temperature dependence of renormalization effects in the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-&#948;.</a> Phys. Rev. B. 76, 064519 (2007).</li><li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disentangling+surface+and+bulk+photoemission+using+circularly+polarized+light.">Disentangling surface and bulk photoemission using circularly polarized light.</a> Phys. Rev. B. 76, 024502 (2007).</li><li>Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Kim, T. K., Nenkov, K. A., Knupfer, M., Fink, J., Golden, M. S., Berger, H., Follath, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Origin+of+the+Peak-Dip-Hump+Line+Shape+in+the+Superconducting-State+(&#960;,0)+Photoemission+Spectra+of+Bi2Sr2CaCu2O8.">Origin of the Peak-Dip-Hump Line Shape in the Superconducting-State (&#960;,0) Photoemission Spectra of Bi2Sr2CaCu2O8.</a> Phys. Rev. Lett. 89, 077003 (2002).</li><li>Inosov, D. S., Fink, J., Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Schuster, R., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., D?rr, H. A., Eberhardt, W., Hinkov, V., Keimer, B., Berger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Momentum+and+Energy+Dependence+of+the+Anomalous+High-Energy+Dispersion+in+the+Electronic+Structure+of+High+Temperature+Superconductors.">Momentum and Energy Dependence of the Anomalous High-Energy Dispersion in the Electronic Structure of High Temperature Superconductors.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 237002 (2007).</li><li>Inosov, D. S., Schuster, R., Kordyuk, A. A., Fink, J., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Evtushinsky, D. V., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., Berger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excitation+energy+map+of+high-energy+dispersion+anomalies+in+cuprates.">Excitation energy map of high-energy dispersion anomalies in cuprates.</a> Phys. Rev. B. 77, 212504 (2008).</li><li>H&#252;fner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications. , (1996).</li></ol>

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Come mostrato sopra, il metodo implementato è molto efficace nello studio della bassa energia struttura elettronica di cristalli singoli. Recenti miglioramenti strumentali hanno trasformato ARPES da una caratterizzazione semplice e banda-strumento di mappatura in un sofisticato molti corpi spettroscopia. Un esperimento moderna fornisce informazioni sulla struttura elettronica di un solido o un nano-oggetto con un nuovo livello di precisione. Accedere alla superficie di Fermi, nel caso di un metallo, gap di energia di s...

Oggi ARPES è ampiamente usato per determinare la struttura elettronica dei solidi. Solitamente, diverse varianti di questo metodo sono definiti dalla sorgente della radiazione necessaria per eccitare gli elettroni. Usiamo radiazione di sincrotrone poiché offre un&#39;opportunità unica per sintonizzare la polarizzazione e l&#39;energia del fotone di eccitazione in un&#39;ampia gamma di energie ed è caratterizzato da alta intensità, piccola larghezza di banda (incertezza in energia hn) e può essere concentrata in un fascio stretto di raccogliere fotoelettroni da un punto di poche decine di micron. La radiazione di sincrotrone è generato in anelli di accumulazione di elettroni costringendo gli elettroni che circolano sul ring con una energia dell&#39;ordine di 2 GeV ** di passare attraverso accordi periodiche di forti magneti (ondulatori). Il campo magnetico deflette gli elettroni e quando tali elettroni veloci cambiare la loro direzione emettono radiazioni. Proprio questa radiazione è quindi diretto nella linea di luce cosiddetta dove viene ulteriormente monochromatizedda un reticolo di diffrazione e focalizzata sulla superficie del campione da specchi diversi. Ci sono molti tali impianti in tutto il mondo. Il nostro fine-stazione si trova in una delle linee di luce di anello di accumulazione BESSY che appartiene al Helmholtz-Zentrum Berlin. Il cuore di questa struttura ARPES è l&#39;analizzatore di elettroni energia (Figura 1). Poiché ci interessa sia l&#39;energia cinetica e l&#39;angolo a cui gli elettroni lasciare la superficie, è molto comodo per rilevare in una misurazione. Un principio molto semplice rende questo approccio una realtà. Come in un esperimento di base con una lente ottica, che si concentra un&#39;onda piana nel punto del piano focale posteriore quindi eseguire spaziale di trasformazione di Fourier, gli elettroni lenti ottiche progetti elettroni che ha lasciato la superficie ad angolo particolare ad un punto del piano focale ( la figura 1). In tal modo si accede al reciproco, slancio cioè, lo spazio. La distance dalla direzione in avanti nel piano focale corrisponde all&#39;angolo e quindi la quantità di moto del fotoelettrone. Ora gli elettroni devono essere analizzati in termini di energia. A questo scopo la fenditura di ingresso dell&#39;analizzatore emisferica è posto esattamente nel piano focale della lente ottica dell&#39;elettrone. Tensioni sui due emisferi sono scelti in modo tale che gli elettroni solo con particolare energia cinetica (passare energia) sarà guidato esattamente al centro di due emisferi e terreni sulla linea centrale del rivelatore bidimensionale. Quelli che sono più veloci ha colpito il rivelatore più vicino al emisfero esterno, quelle che sono più lenti sarà deviato verso l&#39;emisfero interno. In tal modo si può ottenere la distribuzione di intensità fotoemissione in funzione dell&#39;angolo di energia cinetica e simultaneamente. Il vantaggio principale del nostro approccio rispetto ai metodi esistenti è l&#39;uso di He 3 cryomanipulator. Ci sono almeno due ragioni per portare out le misurazioni a basse temperature. Maggiore è la temperatura del materiale, il più sbiadita stati elettronici diventano in energia e momento. Per determinare la struttura elettronica con alta precisione questa temperatura ampliamento deve essere evitata. Inoltre, molte proprietà fisiche dipendono dalla temperatura, alcuni fenomeni ordinazione fissati a basse temperature e la conoscenza della struttura elettronica nello stato fondamentale del sistema, cioè a T = 0, è di fondamentale importanza. Uno dei modi più efficaci per raffreddare il campione fino a decimi di Kelvin è per liquefare He 3 gas. In molti esperimenti raggiungono temperature sub-Kelvin non è un problema, poiché la radiazione termica, il nemico principale di ultra-basse temperature, può essere protetto in maniera efficace. Sfortunatamente, questo non è il caso in esperimenti di fotoemissione. Abbiamo bisogno di fornire l&#39;accesso gratuito per la luce in entrata e in uscita elettroni. Questo è realizzato da feritoie appositamente progettati in tre rascudi diazione, con diverse temperature. Al fine di compensare il carico termico causato dal fascio di fotoni e temperatura ambiente radiazione, la potenza di raffreddamento del criostato deve essere molto elevata. Ciò si ottiene la velocità di pompaggio molto grande di due pompe che riducono la pressione del vapore sopra il liquido He 3, raffreddando così il dito freddo e campione. Le specifiche di progettazione del nostro sistema He 3 rendono la più potente in tutto il mondo. E &#39;forse l&#39;unico posto sul pianeta dove si può vedere una superficie di 1 K fredda attraverso una finestra temperatura ambiente, il &quot;più freddo visibile&quot;. Il disegno dell&#39;esperimento fotoemissione moderna è mostrato in Figura 1. Il fascio di sincrotrone (tratteggiata linea verde) illumina la superficie di 1 K a freddo del campione e fotoelettroni eccita. Elettroni vengono proiettati sul fenditura di ingresso dell&#39;analizzatore emisferica, ordinati in termini di angolo di tracce (giallo, magenta e ciano corrispondono differeangoli di inclinazione NT) e quindi vengono analizzati in termini di energia cinetica. Figura 2 mostra la distribuzione tipica intensità in funzione dell&#39;angolo di inclinazione e di energia cinetica. Ad una distribuzione di intensità è infatti previsto il confronto con i calcoli banda struttura di questo materiale mostra (pannello destro). Questa è la nostra finestra nello spazio reciproco. Attraverso la scansione tensioni sulla lente e emisferi e ruotando il campione attorno all&#39;asse verticale (angolo polare) siamo in grado di esplorare la vasta gamma energia di legame e vaste regioni dello spazio reciproco con dettagli senza precedenti. In particolare, riportando intensità al livello di Fermi in funzione di entrambe le componenti del moto in piano, calcolata da angoli di inclinazione e polari, abbiamo accesso diretto alla superficie di Fermi (FS). * Sotto &quot;incertezza&quot; si comprende la miglior stima dello sperimentatore di quanto una quantità sperimentale potrebbe essere dal &quot;verovalore &quot;. ** Il basso consumo energetico anello può avere una energia di ~ 0.8 GeV, ad alta energia one - fino a 8 GeV.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome del reagente / materiale </td><td> Azienda </td><td> Numero di catalogo </td><td> Commenti </td></tr><tr><td> Cristalli singoli di ZrTe 3 e Tise 2 </td><td></td><td></td><td> cresciuto del Dr. Helmut Berger, EPFL, Lausanne </td></tr><tr><td> Cristalli singoli di Sr 2 RuO 4 </td><td></td><td></td><td> cresciuto dal gruppo del dottor Antonio Vecchione </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> CAMPIONI ZrTe 3, Tise 2, Sr 2 RuO 4 </td></tr></tbody></table>

angle-resolved photoemission spectroscopy at ultra-low temperatures

Le proprietà fisiche di un materiale è definita dalla sua struttura elettronica. Elettroni nei solidi sono caratterizzati da energia (ω) e l&#39;intensità (k) e la probabilità di trovare in un particolare stato determinato con ω e k è descritta dalla funzione spettrale A (k, ω). Questa funzione può essere misurata direttamente in un esperimento basato sul ben noto effetto fotoelettrico, per la spiegazione di cui Albert Einstein ha ricevuto il Premio Nobel nel 1921. L&#39;effetto fotoelettrico la luce brillava su una superficie espelle elettroni dal materiale. Secondo Einstein, risparmio energetico permette di determinare l&#39;energia di un elettrone all&#39;interno del campione, purché l&#39;energia del fotone di luce e l&#39;energia cinetica del fotoelettrone uscita sono noti. Conservazione del momento rende anche possibile stimare k relativo al momentum del fotoelettrone misurando l&#39;angolo al quale la fotoelettroni lasciato la superficie. La versione moderna di questa tecnica è chiamata spettroscopia di fotoemissione Angolo-Resolved (ARPES) e sfrutta due leggi di conservazione al fine di determinare la struttura elettronica, vale a dire energia e quantità di moto degli elettroni all&#39;interno del solido. Al fine di risolvere i dettagli cruciali per la comprensione dei problemi attuali della fisica della materia condensata, tre quantità devono essere ridotti al minimo: * incertezza energia del fotone, l&#39;incertezza in energia cinetica dei fotoelettroni e la temperatura del campione. Nel nostro approccio si combinano tre successi recenti nel campo della superficie di sincrotrone scienze radiologiche, e la criogenia. Usiamo radiazione di sincrotrone con energia del fotone accordabile contribuendo un&#39;incertezza dell&#39;ordine di 1 MeV, un analizzatore di energia di elettroni che rileva l&#39;energia cinetica con una precisione dell&#39;ordine di 1 meV e He 3 criostato which ci permette di mantenere la temperatura del campione sotto di 1 K. Discutiamo i risultati ottenuti su esemplari di cristalli singoli di Sr 2 RuO 4 e alcuni altri materiali. La struttura elettronica di questo materiale può essere determinato con una chiarezza senza precedenti.

L&#39;ultra-basse temperature della nostra configurazione con l&#39;alta risoluzione della linea di luce e analizzatore ci permettono di registrare spettri ad altissima risoluzione complessiva. Questo è illustrato nella figura 3. Il test usuale della risoluzione energetica è misurare la larghezza del bordo Fermi di un metallo. In questo caso è un film appena evaporato indio. La larghezza a mezzo massima (FWHM) della gaussiana, che quando convoluta con il passo-funzione descrive appunto il bordo, è d...

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Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

L&#39;obiettivo generale di questo metodo è quello di determinare la bassa energia struttura elettronica dei solidi a ultra-bassa temperatura con angolo-Resolved spettroscopia di fotoemissione con radiazione di sincrotrone.

Angolo-spettroscopia di fotoemissione risolta A ultra-basse temperature

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

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Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Sintesi e microdiffrazione a pressioni e temperature estreme

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Ricerca

Ingegneria

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states are indeed the resources for implementing various protocols, ranging from enhanced metrology to quantum communication and computing. A variety of devices can be used to generate non-classical states, such as single emitters, light-matter interfaces or non-linear systems3. We focus here on the use of a continuous-wave optical parametric oscillator3,4. This system is based on a non-linear &#967;2 crystal inserted inside an optical cavity and it is now well-known as a very efficient source of non-classical light, such as single-mode or two-mode squeezed vacuum depending on the crystal phase matching. 
Squeezed vacuum is a Gaussian state as its quadrature distributions follow a Gaussian statistics. However, it has been shown that number of protocols require non-Gaussian states5. Generating directly such states is a difficult task and would require strong &#967;3 non-linearities. Another procedure, probabilistic but heralded, consists in using a measurement-induced non-linearity via a conditional preparation technique operated on Gaussian states. Here, we detail this generation protocol for two non-Gaussian states, the single-photon state and a superposition of coherent states, using two differently phase-matched parametric oscillators as primary resources. This technique enables achievement of a high fidelity with the targeted state and generation of the state in a well-controlled spatiotemporal mode.

We describe the reliable generation of non-Gaussian states of traveling optical fields, including single-photon states and coherent state superpositions, using a conditional preparation method operated on the non-classical light emitted by optical parametric oscillators. Type-I and type-II phase-matched oscillators are considered and common procedures, such as the required frequency filtering or the high-efficiency quantum state characterization by homodyning, are detailed.

Quantum Ingegneria State of Light con onda continua Optical Parametric Oscillatori

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

Indagare singola molecola di adesione da Atomic Spectroscopy Forza

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Resonance Raman Spectroscopy of Extreme Nanowires and Other 1D Systems

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the presence of carbon nanotubes. These nanowires are extreme in the sense that they are the limit of miniaturization of nanowires and their behavior is not always a simple extrapolation of the behavior of larger nanowires as their diameter decreases. The paper then describes the methods required to obtain Raman spectra from extreme nanowires and the fact that due to the van Hove singularities that 1D systems exhibit in their optical density of states, that determining the correct choice of photon excitation energy is critical. It describes the techniques required to determine the photon energy dependence of the resonances observed in Raman spectroscopy of 1D systems and in particular how to obtain measurements of Raman cross-sections with better than 8% noise and measure the variation in the resonance as a function of sample temperature. The paper describes the importance of ensuring that the Raman scattering is linearly proportional to the intensity of the laser excitation intensity. It also describes how to use the polarization dependence of the Raman scattering to separate Raman scattering of the encapsulated 1D systems from those of other extraneous components in any sample.

The paper describes a method for producing extreme nanowires by melt infiltration into carbon nanotubes and how 1D systems may be characterized and investigated using Resonance Raman Spectroscopy to determine vibrational and optical excitation energies.

Risonanza Spettroscopia Raman di estrema nanofili e altri sistemi 1D

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

Alta Risoluzione Phonon-assisted Quasi-risonanza spettroscopia di fluorescenza

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted researchers&#39; attention in many fields. Most of the studies focused on macroscopic LCE structures (films, fibers) and their miniaturization is still in its infancy. Recently developed lithography techniques, e.g., mask exposure and replica molding, only allow for creating 2D structures on LCE thin films. Direct laser writing (DLW) opens access to truly 3D fabrication in the microscopic scale. However, controlling the actuation topology and dynamics at the same length scale remains a challenge.
In this paper we report on a method to control the liquid crystal (LC) molecular alignment in the LCE microstructures of arbitrary three-dimensional shape. This was made possible by a combination of direct laser writing for both the LCE structures as well as for micrograting patterns inducing local LC alignment. Several types of grating patterns were used to introduce different LC alignments, which can be subsequently patterned into the LCE structures. This protocol allows one to obtain LCE microstructures with engineered alignments able to perform multiple opto-mechanical actuation, thus being capable of multiple functionalities. Applications can be foreseen in the fields of tunable photonics, micro-robotics, lab-on-chip technology and others.

Free-form Light Actuators &amp;#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

Free-forma Attuatori Light - Fabbricazione e Controllo di attuazione in scala microscopica

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. Optical property evaluation of thin films and the surfaces of bulk materials is an important step in understanding new optical material systems and their applications. The method presented can estimate thickness, refractive index, and use absorptive properties of materials for detection. This metrology system uses evanescent field-based photoacoustics (EFPA), a field of research based upon the interaction of an evanescent field with the photoacoustic effect. This interaction and its resulting family of techniques allow the technique to probe optical properties within a few hundred nanometers of the sample surface. This optical near field allows for the highly accurate estimation of material properties on the same scale as the field itself such as refractive index and film thickness. With the use of EFPA and its sub techniques such as total internal reflection photoacoustic spectroscopy (TIRPAS) and optical tunneling photoacoustic spectroscopy (OTPAS), it is possible to evaluate a material at the nanoscale in a consolidated instrument without the need for many instruments and experiments that may be cost prohibitive.

Here we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. This technique evanescent field-based photoacoustics can be used to create a photoacoustic metrology system to estimate materials&#39; thicknesses, bulk and thin film refractive indices, and explore their optical properties.

Evanescente campo fotoacustica based: ottico valutazione delle proprietà a Surfaces

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. ...

A Simple Dewar/Cryostat for Thermally Equilibrating Samples at Known Temperatures for Accurate Cryogenic Luminescence Measurements

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and a CCD spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, fast sample freezing, fast alignment of the sample, accurate and stable sample temperatures, and small size and portability of the Dewar/cryostat cryogenic unit. When coupled with the fast data acquisition rates of the CCD spectrograph, this Dewar/cryostat is capable of supporting cryogenic luminescence spectroscopic measurements on luminescent samples at a series of known, stable temperatures in the 77-300 K range. A temperature-dependent study of the oxygen quenching of luminescence in a rhodium(III) transition metal complex is presented as an example of the type of investigation possible with this Dewar/cryostat. In the context of this apparatus, a stable temperature for cryogenic spectroscopy means a luminescent sample that is thermally equilibrated with either liquid nitrogen or gaseous nitrogen at a known measureable temperature that does not vary (&#916;T &#60; 0.1 K) during the short time scale (~1-10 sec) of the spectroscopic measurement by the CCD. The Dewar/cryostat works by taking advantage of the positive thermal gradient dT/dh that develops above liquid nitrogen level in the Dewar where h is the height of the sample above the liquid nitrogen level. The slow evaporation of the liquid nitrogen results in a slow increase in h over several hours and a consequent slow increase in the sample temperature T over this time period. A quickly acquired luminescence spectrum effectively catches the sample at a constant, thermally equilibrated temperature.

A simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus comprised of a small fused silica optical Dewar, a thermocouple, and a charge-coupled device (CCD) spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, freezing, and alignment, accurate and stable sample temperatures, and small size/portability.

A Simple Dewar / criostato per equilibrare termicamente i campioni a temperature criogeniche noti accurate misurazioni di luminescenza

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and ...

Measuring the Densities of Aqueous Glasses at Cryogenic Temperatures

We demonstrate a method for determining the vitreous phase cryogenic temperature densities of aqueous mixtures, and other samples that require rapid cooling, to prepare the desired cryogenic temperature phase. Microliter to picoliter size drops are cooled by projection into a liquid nitrogen-argon (N2-Ar) mixture. The cryogenic temperature phase of the drop is evaluated using a visual assay that correlates with X-ray diffraction measurements. The density of the liquid N2-Ar mixture is adjusted by adding N2 or Ar until the drop becomes neutrally buoyant. The density of this mixture and thus of the drop is determined using a test mass and Archimedes principle. With appropriate care in drop preparation, management of gas above the liquid cryogen mixture to minimize icing, and regular mixing of the cryogenic mixture to prevent density stratification and phase separation, densities accurate to &#60;0.5% of drops as small as 50 pL can readily be determined. Measurements on aqueous cryoprotectant mixtures provide insight into cryoprotectant action, and provide quantitative data to facilitate thermal contraction matching in biological cryopreservation.

A protocol for determining the vitreous phase densities of micro- to pico-liter size drops of aqueous mixtures at cryogenic temperatures is described.

Misurare le densità di vetri acquosi a temperature criogeniche

We demonstrate a method for determining the vitreous phase cryogenic temperature densities of aqueous mixtures, and other samples that require rapid ...