Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/10942
Title: Broad band acoustic spectroscopy in disordered systems
Authors: Battistoni, Andrea
Supervisore/Tutore: Bencivenga, Filippo
Issue Date: 31-Mar-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The present work of thesis is situated within the framework of the study of disordered systems as liquids and glasses. A liquid is a system characterized by long range translational invariance and by a short range ordered structure. In the liquid state, contrarily to the crystalline one, there is not structural periodicity and all we learnt from solid state physics (Block’s theorem, phonons, Brillouin’s zones, eigen-states of plane waves, etc.) must be fully revised. The macroscopic collective properties of condensed matter are the result of inter and intra-molecular interactions that are typified by characteristic time and space scales. A longstanding and powerful tool to investigate the collective nature of the microscopic processes inside the system is the acoustic spectroscopy. While in the case of crystalline phase we could take advantage of the periodical structure of the system, limiting our investigation to the so called first Brillouin zone, in order to characterize a disordered system we need to explore a widest as possible spectral range to access the all time and space scales in which the dynamical phenomena occur. This approach can be called Broad Band Acoustic Spectroscopy . My PhD activity was devoted to the development of new experimental methods and techniques allowing the exploration with continuity of dynamics evolving with timescales from tenth’s of ns’s to ps’s. I could test such Broad Band Acoustic Spectroscopy on a prototypical sample: acetonitrile, the liquid with highest dipole moment, known for its many different inter- and intra-molecular dynamics. Using several experimental and computational approaches I could characterize the main dynamical processes for such compound in its whole liquid phase. Thanks to the crossing of the all acquired information, it was possible to identify a mutual influence between different relaxations whose behaviour otherwise was not possible to correctly understand. After a brief introduction to contextualize the Broad Band Acoustic Spectroscopy in disordered systems, in Chapter 1 is presented an overview of the experimental techniques used to perform the measurements within this work. In this chapter, the first my original contribution to the extension of acoustic spectral range finds the place. Thanks to the design and realization of particular spatial filters it is now possible to perform Brillouin Light Scattering experiments with angle tunabil- ity without incurring in annoying spurious contributions issues. In the chapter are also recalled the main physical principles at the ground of every presented tech- nique, in particular stressing the complementarity of the energy and time resolved spectroscopies. Because all the information from the inner dynamics of the sample are mediated by the acoustic modes interaction, Chapter 2 is dedicated to the formalism of the density fluctuations, highlighting the differences between the hydrodynamic model, valid at macroscopic length-scales, and the memory functions approach, necessary to describe the mesoscopic region where the characteristic length-scales of the acoustic modes are comparable to the inter-particles distances. In Chapter 3 are shown the experimental results obtained thanks to the Broad Band Spectroscopy in the whole temperature range of the liquid phase of acetoni- trile. We could first measure some thermodynamical quantities by a non linear spectroscopy named Transient Grating, shedding light on the literature debate on them. Among the obtained results, we appreciated a temperature dependency of the heat capacity ratio which is usually considered a constant. Starting from these results and using the filtering approach introduced in Chapter 1, we could profitably study the vibrational relaxation of acetonitrile discovering some relevant discrepan- cies with previous studies. In this way we demonstrated the importance to avoid eventual spurious contributions and to have complementary information from dif- ferent spectral domains. Then there will be shown the results for the so called structural relaxation, obtained in the high energy domain by Inelastic X-ray Scat- tering. A really interesting correlation has been found with the result obtained by the ultrafast response of the Transient Grating method. Once again, to obtain such comparison was necessary to combine the information arising from many different spectral ranges, fact that highlights the utility and endorses the multi-techniques broad band acoustic spectroscopy method. The temperature dependence of the aforementioned relaxation processes sug- gested to evaluate if any coupling there exist between the two. This is exactly what we were able to appreciate in the deep-UV domain and we proposed a phenomeno- logical model to give a picture of the occurring interaction. To further investigate such dynamics coupling effect, could be extremely useful to explore the soft-UV spectral range but so far any technique was able to access such energy domain. In Chapter 4 we thus present our innovative solution to the problem: a novel table top Fabry-Perot interferometer conceived to operate with UV laser source and with only reflecting optics. The last chapters of the thesis describe my contribution to the forthcoming Free Electron Laser (FEL) based experiment to further increase the accessible spectral range to the acoustic spectroscopy: the TIMER project. In particular I will show the result obtained with the pilot experiment named “mini-TIMER” in which we could demonstrate the feasibility of a Transient Grating experiment in the Extreme Ultra Violet (EUV) domain. When TIMER will be operative it will be the first experimental setup able to probe the EUV mesoscopic region of crucial importance for the study of glasses and nano-structures. This result paves the way to a new class of intriguing experiments only matter of theoretical considerations so far: the so called four wave mixing experiments with elemental selectivity.
Il presente lavoro di tesi si colloca nell’ambito dello studio dei sistemi disordi- nati quali liquidi e vetri. Un liquido ´e un sistema caratterizzato da invarianza traslazionale a lungo raggio e da una struttura ordinata a corto raggio. Lo stato liquido, a differenza di quello cristallino, non gode di una periodicit`a strutturale e tutto ci`o che avevamo imparato dalla fisica dello stato solido (teorema di Block, fononi, zone di Brillouin, autostati di onde piane, etc.) deve essere completamente rivisto. Le propriet`a collettive della materia sono il risultato di interazioni a livello inter- e intra-molecolare identificate da caratteristiche scale temporali e spaziali. Uno strumento ormai affermato e utile per lo studio della natura collettiva dei processi microscopici attivi all’interno del sistema ´e la spettroscopia acustica. Mentre nel caso della fase cristallina si poteva sfruttare la natura periodica della struttura del sistema, limitando lo studio alla cosiddetta prima zona di Brillouin, per caratteriz- zare un sistema disordinato ´e necessario esplorare un intervallo spettrale il pi`u ampio possibile cosí da poter aver accesso alle scale spazio-temporali in cui le dinamiche avvengo. Questo tipo di approccio pu`o essere chiamato Spettroscopia Acustica ad Ampia Banda Spettrale . Il mio dottorato ´e stato dedicato allo sviluppo di nuovi metodi e tecniche speri- mentali per esplorare con continuit`a i processi dinamici la cui evoluzione avviene su scale di tempi tra le decine di ns e i ps. Tale Spettroscopia Acustica ad Ampia Banda Spettrale ´e stata testata su un campione prototipo di acetonitrile, il liquido con il pi´u alto momento di dipolo esistente, noto per le sue molteplici dinamiche di orgine inter- e intra-molecolare. Usando diversi approcci sperimentali e computazionali ´e stato possibile caratterizzare i principali processi di rilassamento per tale composto in tutta la sua fase liquida. Combinando poi tutte le informazioni acquisite, ´e stato possibile indentificare una mutua influenza tra i diversi processi di rilassamento il cui comportamento altrimenti sarebbe rimasto incompreso. Dopo una breve introduzione per contestualizzare la Spettroscopia Acustica ad Ampia Banda Spettrale nell’ambito dei sistemi disordinati, nel Capitolo 1 viene offerta una panoramica delle tecniche sperimentali usate per effettuare le misure nel corso di questo lavoro. Trova posto in questo capitolo la descrizione del mio primo originale contributo all’estensione dell’intervallo spettrale acustico. Grazie alla progettazione e realizzazione di particolari filtri spaziali ´e ora possibile effet- tuare esperimenti di diffusione di luce Brillouin con angolo di scattering variabile senza dover incorrere in fastidiosi problemi di contributi spuri. Nel capitolo vengono anche richiamati i principali elementi di fisica alla base di ogni tecnica, marcando in particolare la caratteristica di complementariet`a tra esperimenti risolti in tempo e in energia. Siccome tutte le informazioni a proposito delle dinamiche interne del campione sono mediate dall’interazione coi modi acustici, il Capitolo 2´e dedicato al formalismo delle fluttuazioni di densit`a, evidenziando le differenze tra il modello idrodinamico, valido per scale spaziali macroscopiche, e l’approccio delle funzioni memoria, nec- essario per descrivere la regione mesoscopica dove le dimensioni caratteristiche dei modi acustici diventano confrontabili con le distanze tra le particelle. Nel Capitolo 3 sono riportati i risultati sperimentali ottenuti mediante la Spet- troscopia Acustica ad Ampio Intervallo Spettrale nell’intero range di temperature in cui l’acetonitrile permane allo stato liquido. Per prima cosa, attraverso un tecnica fotonica di spettroscopia non lineare (Transient Grating) ´e stato possibile misurare alcune variabili termodinamiche, potendo fare chiarezza tra i vari contributi presenti in letteratura. Tra i risultati ottenuti, la dipendenza in temperatura del rapporto tra i calori specifici laddove usualmente viene considerata costante. Partendo da questi risultati e usando l’approccio di filtraggio introdotto nel Capitolo 1, ´e stato possibile studiare il rilassamento vibrazionale dell’acetonitrile scoprendo alcune ril- evanti discrepanze con i precedenti lavori riportati in letteratura. Abbiamo cosí dimostrato l’importanza di eliminare eventuali contributi spuri e di poter attingere a informazioni complementari da diversi domini spettrali. Verr`a inoltre mostrato il risultato dello studio del cosiddetto rilassamento strutturale effettuato nel range di alte energie grazie allo Scattering di raggi X. Una interessante correlazione si ´e po- tuta riscontrare tra i risultati di questo esperimento e quelli ottenuti con la tecnica Transient Grating nella sua risposta ultraveloce. Ancora una volta, per ottenere tale risultato ´e stato necessario combinare informazioni provenienti da molti inter- valli spettrali diversi, confermando la validit`a di un approccio multi-tecnica come quello della spettroscopia acustica a larga banda spettrale. L’andamento in tem- peratura dei suddetti processi di rilassamento suggerivano di valutare la presenza di un eventuale accoppiamento tra i due fenomeni. ´E esattamente ci`o che abbiamo osservato esplorando il dominio del profondo ultravioletto e per il quale abbiamo proposto un modello fenomenologico in grado di fornire una rappresentazione delle interazioni in gioco. Per poter approfondire tale fenomeno di accoppiamento sarebbe estremamente utile poter esplorare l’intervallo spettrale degli UV soffici, ma fino ad oggi nessuna tecnica era in grado accedere a tale range. Nel Capitolo 4 mostriamo la nostra innovativa soluzione al problema: un nuovo interferometro Farby-Perot “table-top”, concepito per lavorare con una sorgente UV laser e con sole ottiche riflettive. Gli ultimi capitoli della tesi descrivono il mio contributo al prossimo esperi- mento avente come sorgente di luce un laser ad elettroni liberi: il progetto TIMER, destinato ad aumentare ulteriormente il range spettrale sperimentalmente acces- sibile con la spettroscopia acustica. In particolare, mostrer`o i risultati ottenuti nell’esperimentopilotachiamato“mini-TIMER”graziealqualedimostratolapossibilit`a di effettuare un esperimento Transient Grating anche nel range spettrale dell’estremo UV (EUV). Quando TIMER sar`a operativo sar`a il primo setup sperimentale in grado di sondare la regione mesoscopica nell’EUV, zona di cruciale importanza per lo studio dei vetri e delle nanostrutture. Questo risultato apre inoltre la strada ad una nuova classe di interessanti esperimenti ad oggi oggetto solo di considerazioni teoriche: i cosiddetti esperimenti di “four wave mixing” combinati con la selettivit`a elementale che la radiazione EUV pu`o fornire.
Ciclo di dottorato: XXVI Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN FISICA
Description: 2013/2014
Keywords: acoustic spectroscopy
Brillouin
acetonitrile
Transient Grating
Fabry-Perot interferometer
liquids
Free Electron Laser
Ultra Violet
Inelastic X-ray scattering
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: FIS/03 FISICA DELLA MATERIA
NBN: urn:nbn:it:units-13716
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