Journal Club 2013 | Gruppo Struttura Fotonica Tanabe

Club del giornale

Per anno (aprile-dicembre)

＜Sessione di ascolto del "Journal Club".

ESERCIZIO 2013.

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La ricerca quantistica basata sull'accoppiamento tra atomi e fotoni è stata studiata per lo più attraverso la Cavity QED che utilizza risonatori ottici. In questo studio abbiamo dimostrato che, disponendo opportunamente un reticolo atomico attorno a una guida d'onda di dimensioni nanometriche, è possibile fabbricare sulla guida d'onda un risonatore in cui il reticolo atomico è considerato uno specchio di Bragg e applicarlo alla Cavity QED e all'elaborazione dell'informazione quantistica. L'ulteriore applicazione di questa tecnologia dovrebbe fornire la base per la costruzione di reti di informazione quantistica. Il principio sarà spiegato in dettaglio nella presentazione.

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Grazie alla tecnologia di rilevamento ultrasensibile, è possibile osservare e studiare molti fenomeni che in precedenza non potevano essere osservati. La sensibilità è in gran parte legata al valore Q delle vibrazioni meccaniche e in questo studio è stato ottenuto un valore Q estremamente elevato utilizzando particelle di silice intrappolate dalla luce. Utilizzando il dispositivo, abbiamo osservato una non linearità nelle vibrazioni termiche, che non poteva essere osservata in precedenza. Con la tecnologia di raffreddamento si prevede di ottenere una sensibilità ancora più elevata.

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La spettroscopia che utilizza i reticoli di diffrazione convenzionali ha il problema di aumentare le dimensioni dello spettrometro a causa della necessità di risolvere spazialmente le lunghezze d'onda. Tuttavia, se al posto dei reticoli di diffrazione si può utilizzare il sistema Disordered, che è stato oggetto di molte ricerche negli ultimi anni, si può realizzare uno spettrometro più piccolo perché la lunghezza del percorso della luce può essere aumentata dalla diffusione casuale. In questo articolo, riportiamo la realizzazione di uno spettrometro di piccole dimensioni su chip utilizzando cristalli fotonici disordinati.

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Si prevede che i cristalli fotonici saranno applicati ai circuiti ottici grazie alle loro dimensioni compatte e all'elevato confinamento ottico. Il recente aumento del volume delle informazioni e delle comunicazioni richiede un'integrazione, in altre parole un'interconnessione ottica tridimensionale flessibile, che però non è ancora stata realizzata a causa della difficoltà di fabbricazione e della mancanza di chiare linee guida di progettazione. In questo lavoro, l'interconnessione ottica 3D è stata realizzata per la prima volta utilizzando guide d'onda oblique.

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Una delle sfide della tecnologia ottica è il limite di diffrazione, che limita la miniaturizzazione degli elementi ottici alla scala delle lunghezze d'onda. I polaritoni plasmonici di superficie, che sfruttano l'accoppiamento tra onde elettromagnetiche ed elettroni, sono una soluzione a questo problema. Recentemente sono state pubblicate ricerche sui laser plasmonici che utilizzano questa tecnologia, ma uno dei problemi è la necessità di raffreddamento fino a circa 10 K. Nel presente studio, i laser CdS e Ag sono utilizzati come componenti principali di un laser plasmonico. In questo studio è stato fabbricato un laser plasmon che può funzionare a temperatura ambiente utilizzando un risonatore con una struttura in cui CdS e Ag sono separati da MgF2. In questa presentazione ci proponiamo di fornire una spiegazione il più possibile comprensibile anche a chi non è specializzato in biologia.

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Nella ricerca sugli emettitori quantistici, è importante rafforzare l'accoppiamento tra l'emettitore e il modo di radiazione, e l'obiettivo è stato quello di migliorare l'interazione tra luce e materia utilizzando risonatori con alti valori Q e plasmoni con piccoli volumi di modo. In questo studio sono stati fabbricati risonatori plasmonici in grado di utilizzare entrambi questi effetti ed è stato dimostrato sperimentalmente che è possibile potenziare l'emissione spontanea di luce dai punti quantici e produrre sorgenti di fotoni singoli selettivi per la lunghezza d'onda da emettitori quantici a banda larga. La presentazione includerà una discussione sui fondamenti dei plasmoni e su altre ricerche applicate.

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L'analisi del ciclo cellulare è di grande importanza per molti processi fisiologici cellulari e ha suscitato un interesse crescente negli ultimi decenni. In questo contesto, le tecnologie per l'analisi del ciclo cellulare in tempo reale e spazio-temporale, come la tecnologia Fucci, hanno attirato molta attenzione, ma l'analisi del ciclo cellulare senza etichette non è ancora stata realizzata. Questo lavoro è il primo studio che analizza il ciclo cellulare in modo label-free senza l'uso di proteine fluorescenti e il suo impatto accademico è significativo. In questa presentazione ci proponiamo di spiegare i risultati nel modo più semplice possibile per i non addetti ai lavori.

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Tuttavia, l'uso dei cristalli fotonici ha permesso di ridurre le dimensioni del dispositivo e di ottenere una riduzione del valore di soglia. Tuttavia, grazie all'utilizzo di cristalli fotonici, è stato possibile ridurre le dimensioni dell'elemento e anche abbassare il valore di soglia.

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La distribuzione quantistica delle chiavi è una tecnologia già utilizzata nella pratica. Tuttavia, la distanza di trasmissione e la velocità di generazione della chiave segreta sono limitate a causa della vulnerabilità dell'attuale protocollo BB84 contro le intercettazioni e delle basse prestazioni dei rivelatori di fotoni singoli basati su APD. In questo articolo presentiamo un protocollo di distribuzione di chiavi quantistiche a spostamento di fase differenziale e un rivelatore di fotoni singoli a superconduttore che consente di raggiungere una distanza di trasmissione più che doppia rispetto ai protocolli convenzionali. La giornata si concentrerà sul protocollo a spostamento di fase differenziale e sul rivelatore a singolo fotone a superconduttore, ponendo l'accento sulle ragioni per cui è stato possibile raggiungere distanze maggiori.

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Nei risonatori ottici, la stabilità e la sensibilità del risonatore dipendono dalla precisione degli specchi alle due estremità. L'influenza del rumore termico è in aumento negli orologi atomici ottici e nelle osservazioni delle onde gravitazionali, e sono necessari rivestimenti di specchi con una maggiore stabilità rispetto agli specchi convenzionali. Il gruppo ha quindi fabbricato nuovi multistrati monocristallini con basse perdite meccaniche ed elevata qualità ottica. È stata osservata una finezza di 150 000 quando è stato formato un risonatore Fabry-Perot. Inoltre, è stato osservato che il rumore termico è stato ridotto a 1/10 di quello di uno specchio convenzionale a temperatura ambiente. Ciò dovrebbe consentire lo sviluppo di risonatori più sensibili e di laser più stabili. La presentazione si concentrerà sui risultati degli esperimenti di verifica con gli specchi fabbricati.

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Il rilevamento sensibile delle variazioni di temperatura su scala nanometrica è una sfida importante per la scienza moderna. Un termometro con una risoluzione di temperatura inferiore a 1 °C in un ampio intervallo di temperature e che possa essere integrato in vivo darebbe un contributo significativo, soprattutto nelle applicazioni biologiche (ad esempio, la regolazione dell'espressione genica e del metabolismo tumorale tramite la temperatura). In questo studio proponiamo un nuovo metodo di misurazione della temperatura su scala nanometrica basato sulla manipolazione coerente degli spin degli elettroni da parte del centro di colore vacante dell'azoto (centro NV) del diamante, compresa la dimostrazione della misurazione della temperatura utilizzando il centro NV e i risultati di esperimenti in vivo. La presentazione includerà i risultati sperimentali. La presentazione si concentrerà sul metodo sperimentale e sui risultati.

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Muneaki Hase, Masayuki Katsuragawa, Anca Monia Constantinescu & Hrvoje Petek Abstract: Le nonlinearità ottiche nei materiali allo stato solido sono di grande interesse perché permettono di combinare funzioni ottiche ed elettroniche nell'elaborazione di informazioni ad alta larghezza di banda. I processi ottici non lineari del terzo ordine nel silicio sono stati utilizzati per l'elaborazione di segnali ottici nella banda dei gigahertz, ma non ci sono stati studi sulla modulazione ottica nella banda dei terahertz. In questo studio, i fononi ottici longitudinali coerenti ad alta ampiezza sono stati eccitati irradiando il silicio con impulsi intensi di femtosecondi e si è ottenuta una modulazione ultraveloce dell'indice di rifrazione ottica del silicio per generare un pettine di frequenza con una larghezza di banda superiore a 100 THz a intervalli della frequenza fondamentale (15,6 THz) dei fononi ottici longitudinali.

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Le tecniche di assorbimento multifotonico hanno potenziali applicazioni nel bio-imaging e nella registrazione ottica tridimensionale. In questo studio, riportiamo la prima osservazione sperimentale dell'emissione indotta da un nuovo fosforo mediante assorbimento a cinque fotoni. Rispetto all'assorbimento non lineare di ordine inferiore, il processo di assorbimento a cinque fotoni fornisce un forte confinamento spaziale e un contrasto di imaging molto elevato. Inoltre, l'emissione indotta dall'assorbimento a due-quattro fotoni è stata ottenuta anche con l'eccitazione laser nel vicino infrarosso, il che la renderebbe una promettente sonda di imaging multifotone con caratteristiche quali l'assenza di autofluorescenza dal campione biologico, la profondità di penetrazione, l'elevata sensibilità e risoluzione.

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La ricerca sulla focalizzazione della luce oltre il limite di diffrazione della luce è stata attiva ed è noto che questo problema può essere risolto utilizzando la luce evanescente. Negli ultimi anni, sono state messe a punto diverse tecniche per controllare la focalizzazione della luce in campo vicino, come l'uso di piccole aperture, cristalli plasmonici e metamateriali, ma tutte richiedono la fabbricazione di strutture fini e precise e hanno lo svantaggio che il grado di focalizzazione della luce dipende dalla struttura. Il presente lavoro riporta invece la scoperta di un metodo che può controllare arbitrariamente il grado di focalizzazione della luce senza richiedere una struttura fine.

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L'effetto Hall ottico di spin dovuto allo spin di un fotone è stato osservato da tempo, ma lo spostamento rispetto alla direzione dello spin è piccolo, rendendo difficile l'osservazione. Il presente lavoro è riuscito ad aumentare lo spostamento utilizzando un metamateriale con antenne d'oro disposte su una superficie dielettrica, facilitando così l'osservazione.

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I metamateriali a indice negativo (NIM) dovrebbero essere applicati alle lenti perfette. Per realizzare una lente perfetta è necessario un NIM tridimensionale, ma i NIM convenzionali hanno perdite elevate e non forniscono proprietà ottiche sufficienti. In questo articolo, riportiamo la realizzazione sperimentale di una NIM tridimensionale a bassa perdita utilizzando una struttura a rete. La presentazione si concentrerà sulla storia della ricerca sulle NIM e sui suoi principi.

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La conversione dei segnali elettrici in segnali ottici mediante la nanofotonica consentirà l'integrazione di elettronica e fotonica. In questo studio, la lunghezza d'onda di risonanza del risonatore è stata modificata con successo fino a 2 nm e la riflettività del risonatore fino a 400 % utilizzando una combinazione di risonatori L3 e grafene. Le indagini teoriche hanno dimostrato che il dispositivo ha il potenziale per funzionare a decine di fJ e 250 GHz. Il dispositivo con risonatore al grafene dovrebbe consentire una conversione elettrica e ottica ad alta velocità e a bassa potenza, nonostante le sue dimensioni ridotte.

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I laser con blocco di modalità sono uno dei metodi per generare pettini ottici, ma è difficile eseguire operazioni di blocco di modalità nei laser a cascata quantistica perché il tempo di recupero del guadagno è molto più breve del tempo di propagazione dell'impulso ottico previsto per un singolo ciclo del risonatore. Questo perché il tempo di recupero del guadagno è molto più breve del tempo di propagazione dell'impulso ottico ipotizzato per un ciclo del risonatore, dando luogo a un'altra oscillazione. In questo studio è stato generato un pettine ottico utilizzando un laser a cascata quantistica la cui struttura è stata progettata per avere una dispersione piatta della velocità di gruppo, utilizzando la FWM invece del mode-locking. Si prevede che questa sia una sorgente ottica a pettine a banda larga, compatta e guidata dall'iniezione di corrente nella regione del medio infrarosso.

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Esistono due approcci principali alla stampa nel limite di diffrazione (250 nm): i metodi a getto d'inchiostro e a getto laser e i plasmoni di superficie utilizzati in questo studio. Il metodo a getto d'inchiostro ha un'eccellente risoluzione, ma può produrre solo immagini monocromatiche. D'altra parte, i filtri nanoforo che utilizzano i plasmoni di superficie richiedono una struttura periodica, che si traduce in una risoluzione su microscala. Nella presente relazione, inserendo una pellicola riflettente sotto la nanostruttura, siamo riusciti a colorare la struttura senza dipendenza periodica e a ottenere una risoluzione limitata alla diffrazione utilizzando i plasmoni di superficie. La colorazione è stata ottenuta controllando l'interazione tra plasmoni di superficie e risonanza di Fano modificando la geometria della nanostruttura. La presentazione sarà ampiamente descritta, comprese le relazioni sulla plasmonica al CLEO-PR e all'OECC/PS.

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È stato dimostrato matematicamente che i multistrati con una distribuzione scalare dell'indice di rifrazione presentano proprietà antiriflesso su un'ampia larghezza di banda. Tuttavia, finora non sono stati realizzati film antiriflesso a banda larga a causa della mancanza di materiali con un basso indice di rifrazione, che è molto vicino all'indice di rifrazione dell'aria. In questo studio sono stati preparati film sottili di TiO2 e SiO2 mediante evaporazione obliqua e i loro indici di rifrazione sono stati regolati per eliminare le riflessioni di Fresnel in un'ampia larghezza di banda. Nel film di SiO2 è stato raggiunto un indice di rifrazione minimo pari a n = 1,05.

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Mitsuru Saito, Kouji Taniguchi e Taka-hisa Arima Abstract: Nonostante la recente scoperta di materiali multiferroici, il massimo dicroismo direzionale di questi materiali è di 0,1%. In questo studio siamo riusciti a ottenere un valore di dicroismo direzionale molto grande, pari a 100%, utilizzando un materiale con un grado relativamente piccolo di oggettività temporale e di rottura della simmetria spaziale, condizione necessaria per essere un materiale multiferroico. Ciò è dovuto a un maggiore accoppiamento tra le transizioni di dipolo elettrico e magnetico. Nella presentazione verrà fornita una spiegazione dettagliata, partendo dal contenuto di base dell'effetto elettro-magnetico.

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L'imaging di assorbimento è stato utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni, a partire dalla scoperta dei globuli rossi fino all'osservazione delle nubi di polvere nelle stelle e della condensazione di Bose-Einstein nell'era moderna. In questo lavoro, un singolo atomo isolato nel vuoto viene intrappolato con la tecnica del Paul trapping a radiofrequenza e fotografato con una risoluzione di lunghezza d'onda utilizzando una lente di Fresnel di fase. Si tratta della prima imaging per assorbimento al mondo. Poiché le proprietà ottiche degli atomi sono ben comprese, gli atomi sono campioni ideali per comprendere i limiti dell'imaging per assorbimento. I risultati forniranno nuovi metodi per l'imaging di campioni sensibili alla luce nel campo del visibile e dei raggi X.

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Per l'elaborazione quantistica delle informazioni è importante formare una rete quantistica che colleghi ogni sistema quantistico. Tuttavia, la formazione di nodi quantistici nella rete ha rappresentato una sfida importante. In questo studio, un nodo è stato formato da un sistema di atomi di rubidio integrati in un risonatore ottico; gli stati quantici degli atomi sono stati comunicati con successo e l'entanglement si è formato con successo tra due sistemi quantistici remoti. La presentazione di questo Journal Club si concentrerà sulla dimostrazione dell'entanglement in due sistemi quantistici isolati.

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Disponendo antenne d'oro su una superficie dielettrica, un'onda piana incidente può essere trasmessa o riflessa in qualsiasi direzione cambiando la sua fase sulla superficie. È stata proposta una "antenna a V", poiché un semplice dipolo non può produrre una variazione di fase di ampiezza pari a 360°. Ottimizzando la lunghezza dei bordi e gli angoli tra di essi, è possibile ottenere un'ampia gamma di variazioni di fase mantenendo l'intensità di diffusione. Inoltre, la generazione di fasci Laguerre-Gaussiani è stata confermata applicando un cambiamento di fase puntiforme e simmetrico rispetto al centro.

Vi informeremo regolarmente sugli eventi.
Chiunque può iscriversi.

Che cos'è il Journal Club?
Si tratta di una serie di conferenze aperte che si tengono nel Tanabe Photonic Structures Laboratory. Gli studenti, a partire dal livello post-laurea, esaminano documenti relativi all'ottica e alle tecnologie correlate, come la fotonica, i materiali, le bioscienze, ecc. e li spiegano in modo semplice e comprensibile.

Informazioni sull'auditing
Le conferenze sono gratuite, indipendentemente dal fatto che ci si trovi all'interno o all'esterno del campus. Le conferenze si terranno regolarmente, quindi se siete interessati a qualche argomento, venite e partecipate. Non è necessario un preavviso per partecipare, ma se ci contattate in anticipo, prepareremo il materiale per voi.

Annuncio dell'evento.
Il Journal Club è organizzato sul nostro sito web e sulla mailing list. Se vi iscrivete alla mailing list, riceverete periodicamente via e-mail gli inviti alle riunioni.

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