INTERFERANZA DEL SINGOLO FOTONE

1. INTEFERENZA DEL SINGOLO FOTONE INTERFERANZA DEL SINGOLO FOTONE Guido Pegna, Dipartimento di Fisica Università Di Cagliari pegna@unica.ithttp://www.pegna.com

2. PROGETTO: INTEFERENZA NELLA DIFFRAZIONE DA DUE FORI (ESPERIM. ALLA YOUNG CON LUCE DEBOLE)

3. TECNICA STANDARD: SCANSIONE DEL CAMPO IMMAGINE

4. DIFFRAZIONE DA UN FORO <I>    I0 L’INTENSITÀ I VARIA CON L’ANGOLO DI “APERTURA”  : I = I0sen2/2

5. ANDAMENTO DELL’INTENSITÀ NELLA FIGURA DI DIFFRAZIONE DA DUE FORI

6. I PARAMETRI DELL’ESPERIMENTO Distribuz. Airy Interfer. a: Diam. fori Onde piane y  d  h D SCHERMO PIANO IMMAGINE d = 1,22 D/a y = D/h

7. Nel nostro apparecchio si ha: D = 0,5 m (dist. Fori-Piano immagine)  = 0,6 10-6 m (Laser) D = 1 cm = 10-2 m (Diam. della figura di Airy) h = 1 mm (Distanza fra i fori) Dai quali cui si deduce il diametro dei fori: a = 4010-2 mm il passo delle frange di interferenza: y = 0,1 mm e la frazione IL della luce emessa dal Laser che supera i fori (Spot del Laser = 4,5 mm2): IL = 510-4

8. COME POSSIAMO ESSERE SICURI CHE NEL NOSTRO APPARECCHIO VI SIA QUASI SEMPRE UNSOLO FOTONE CHE VIAGGIA DALLA SORGENTE AL PIANO DELL’IMMAGINE?

9. FOTOMOLTIPLICATORE PER CONTEGGIO DI FOTONI SINGOLI IMMAGINE DI INTERFERENZA CHE COPRE TUTTO IL FOTOCATODO.

10.   

11. VALUTAZIONE A PARTIRE • DALLE CARATTERISTICHE DEL RIVELATORE • 1. Si regola la corrente della sorgente di luce • fino ad avere, per esempio, una corrente anodica del PM di 1 nA. • Il PM ha un guadagno di 106. Quindi la corrente • di fotoelettroni è di 10-15 A  104 elettroni/s. • Il rendimento quantico del PM per la luce rossa • è intorno al 4%. Quindi il numero di fotoni che • incidono sul fotocatodo è circa 2,5105 fotoni/s • Quindi si ha in media un fotone ogni 410-6 s • Se non vi fosse il ricevitore, i fotoni sarebbero • distribuiti nello spazio uno ogni 1,2 Km.

12. IN CONCLUSIONE: NELL’APPARATO SI HA UN FOTONE OGNI 4 s, MENTRE PER PERCORRERE IL TRAGITTOAL SUO INTERNO I FOTONI IMPIEGANO 3 ns

13. VALUTAZIONE A PARTIRE DALLE CARATTERISTICHE DELLA SORGENTE 1. Il Laser è alimentato con una corrente I = 3,2·10-6 A = 3,2·10-6 Coul/s = [e = 1,6·10-19 Coulomb]  2·1013 elettroni/s 2. Ammettendo un rendimento della sorgente di circa 10-4 fotoni/elettrone si avrebberoN = 2·109 fotoni/s emessi 3. Il rapporto fra la sezione dei fori e quella del fascio è di circa 5·10-4. Quindi il numero di fotoni che superano i fori è: Nfotoni = 106 fotoni/s

14. Dunque N  106 fotoni/sec 5. Secondo questa valutazione si avrebbe un fotone ogni microsecondo nella parte interferometrica dell’apparato. Vi è ancora un margine di un fattore 600 fra l’intervallo medio di tempo fra ogni fotone (1 s) e il tempo di transito di ciascun fotone (1,5 ns).

15. RISULTATI: IMPULSI Ilaser = 21 A

16. RISULTATI: IMPULSI Ilaser = 21 A

17. SIAMO COSÌ SICURI, CON BUON MARGINE, CHE NELL’APPARATO VI È SEMPRE SOLO UN FOTONE PER VOLTA

18. LA NUOVA TECNICA QUI PROPOSTA: ACQUISIRE SIMULTANEAMENTE TUTTA L’IMMAGINE CON UNA TELECAMERA SENSIBILE AL SINGOLO FOTONE

19. WEBCAM COMMERCIALI MODIFICATE PER LUNGHE ESPOSIZIONI

20. E SPECIFICI PROGRAMMI DI CONTROLLO DELLA TELECAMERA, DEL TEMPO DI POSA, DELLE MODALITÀ DI ACQUISIZIONE, DI SOMMA DELLE IMMAGINI (K3CCDTOOLS)

21. UN ESEMPIO La Nebulosa M16, detta “Eagle”, 6500 anni luce dist.

22. L’APPARECCHIO

23. LA SCATOLA OSCURA

24. LASER E CIRCUITI Laser 

25. L’OTTURATORE Fori  Galvanometro 

26. WEBCAM PM  Webcam

27. RIPRESA 1: Esposizione 15 s (4·106 fotoni)

28. RIPRESA 2: 4 Esposizioni da 15 s

29. RIPRESA 3: 20 esposizioni da 15 s

30. GRAZIE! Cagliari 15 Feb. 2009