Il laboratorio è situato in un'infrastruttura recentemente rinnovata con temperatura e umidità stabilizzate, con isolamento dalle vibrazioni, un'unità di regolazione termica indipendente e collegata a un generatore di riserva [https://luxem.unipv.it/facilities/]. Il laboratorio dispone di:
- La sorgente laser ad impulsi nel femtosecondo.
Un amplificatore rigenerativo ultraveloce Ti:zaffiro che utilizza una tecnologia brevettata di amplificatore raffreddato criogenicamente con energia di impulso media regolabile: > 3 mJ a 5 kHz, > 2 mJ a 10 kHz, > 0,6 mJ a 20 kHz, con durata media dell'impulso di 35 fs, e 785 nm lunghezza d'onda centrale (KMLabs). Questa sorgente alimenta due linee di luce per: (i) spettro-microscopia ultraveloce con raggi-X soffici, e (ii) diffrazione e imaging ultraveloce con elettroni. In ciascuna beamline, il percorso ottico del laser è diviso in due rami:- Ramo di pompa (pump), che inizia la dinamica nel campione e funge da punto di riferimento nel tempo.
- Ramo di sonda (probe) – nel nostro caso impulsi di raggi-X soffici o di elettroni, che registrano istantanee di immagini della dinamica dei campioni in funzione del ritardo temporale tra pump e probe.
- Beamline di microscopia ultraveloce con raggi-X soffici.
La microscopia EUV ultraveloce viene eseguita principalmente (sebbene non esclusivamente) con una tecnica per l'imaging diffrattivo coerente chiamata Pticografia, in cui più pattern di diffrazione vengono elaborati da algoritmi iterativi per ricostruire immagini di ampiezza e fase del campione e del fascio, separatamente.
La sonda, cioè gli impulsi di luce EUV/raggi X soffici, viene generata tramite un processo di ottica non-lineare chiamato High-Harmonic Generation (HHG). In HHG, la luce laser del laser al femtosecondo viene convertita a lunghezze d'onda più corte mantenendo un'eccellente coerenza spaziale quando implementata in una geometria phase-matched, nonché elevata coerenza temporale, con durata degli impulsi < 100 attosecondi. Nel nostro microscopio generiamo luce a 13 nm (1010 fotoni/sec, He a 400-700 torr) o 30 nm (1012 fotoni/sec, Ar a 30-60 torr). La fondamentale (785 nm) viene eliminata prima del campione con specchi dicroici e filtri metallici sottili. La camera del microscopio è progettata su misura per il posizionamento in ultra-alto vuoto ed il controllo completamente in remoto di tutti gli elementi ottici, del campione e del rivelatore, consentendo di lavorare con un intervallo flessibile di aperture numeriche da 0.04 a 0.5 o di risoluzioni (trasversali) da 150 nm fino a 13 nm con illuminazione a 13 nm.
La luce EUV è focalizzata e sovrapposta agli impulsi della pompa quasi collinearmente sul campione; il loro tempo di arrivo è controllato da una linea di ritardo motorizzata. Per ciascun instante di tempo selezionato, la luce EUV viene diffratta dal campione e raccolta su un rivelatore CMOS EUV sotto ultra-alto vuoto, dotato di pixel di 11 µm e di una velocità massima di acquisizione dati pari a 24 fps (AXIS Photonique). La risposta dinamica di ciascun campione viene acquisita raccogliendo immagini stroboscopiche in funzione del ritardo temporale tra gli impulsi di pompa e sonda, acquisendo -di fatto- foto istantanee di ampiezza e fase dei processi fisici che hanno luogo nel campione su scala nanometrica. - Beamline di diffrazione e imaging ultraveloce con elettroni.
In questa linea per la diffrazione elettronica risolta nel tempo sviluppiamo nuovi metodi per la ricostruzione dell'immagine e il rilevamento di speckle da sorgenti compatte con coerenza spaziale parziale.
I treni di impulsi a femtosecondi amplificati sono divisi nei percorsi della pompa (ottica) e della sonda (elettroni). Il probe è triplicato in frequenza tramite generazione di terza armonica in cristalli BBO e viene utilizzato per generare gli impulsi elettronici all'interno di un generatore di elettroni ad alta tensione (0-100kV). Gli impulsi di elettroni vengono poi diretti al campione tramite due deflettori (x, y) e un solenoide che focalizza gli elettroni sul campione. Il campione è contenuto nella camera sperimentale, progettata per avere accessi agli impulsi di pump e probe, per il rivelatore, e per un sistema criogenico che consente di esplorare un intervallo di temperature da 1.8 K fino a 300 K. Ulteriori aperture sono riservati alla visione e all'allineamento del campione e ai sistemi di rilevamento della pressione. Un manipolatore ad alta precisione consente il movimento del campione lungo tre assi (x, y, z) e un angolo (la rotazione attorno all'asse del criostato). La rotazione angolare del campione attorno alla sua superficie normale è possibile anche attraverso un porta-campioni piezoelettrico, che è in contatto termico con il criostato.
Una linea di ritardo motorizzata consente di modificare il tempo di arrivo sul campione tra gli impulsi della pompa e della sonda. Gli impulsi di elettroni vengono diffratti dal campione e le immagini vengono registrate dal rivelatore pixelato Hybrid Particle Counting QUADRO (DECTRIS), che è in grado di rilevare su base di singolo impulso ed è dotato di efficienza di conversione uno a uno (evento/conteggio).
Le beamline sono progettate completamente su misura all'interno di LUXEM, in collaborazione con partner internazionali accademici e industriali. Entrambe sono implementate in ultra-alto vuoto [da 10-7 a 10-10 mbar], su un tavolo ottico dotato di sistema attivo e passivo di smorzamento delle vibrazioni, che ospita anche la sorgente laser ad impulsi ultracorti. I set-up sono progettati per operare in parallelo a 5 kHz o, separatamente, a frequenze di ripetizione più elevate. Entrambi possono operare in geometria di trasmissione o riflessione e con sistemi di attuazione completamente controllati in remoto. Le configurazioni operative delle beamline sono selezionate in funzione dei parametri necessari per ciascuna campagna sperimentale, i.e. rapporto segnale-rumore, flusso, jitter, dose di radiazione sul campione.
Responsabile: Giulia Fulvia Mancini