• fasci di ioni focalizzati
• focused ion beams
• fotoionizzazione
• laser manipulation
• manipolazione laser
• optical pumping
• photoionization
• pompaggio ottico

Obiettivo principale della tesi è la fotoionizzazione di un fascio atomico di Cesio manipolato via laser per scopi applicativi. L’utilizzo di fasci di ioni focalizzati (FIB) sta emergendo come una tecnologia estremamente efficace e versatile per la nanostrutturazione di superfici. La risoluzione spaziale di un FIB commerciale, che si attesta attualmente su valori di circa una decina di nm, è limitata dalle aberrazioni cromatiche nel processo di focalizzazione degli ioni. Il nostro progetto di ricerca, sviluppato nell’ambito di una cooperazione internazionale, punta a realizzare fasci di ioni quasi monocromatici e con caratteristiche dinamiche superiori, grazie all’utilizzo di approcci non convenzionali. Il fascio atomico prodotto nel nostro apparato sperimentale è caratterizzato da proprietà dinamiche specifiche, per le quali può essere definito “freddo e lento”. Infatti esso è fortemente collimato, essendo raffreddato in direzione trasversale, e possiede velocità longitudinale e larghezza della distribuzione di velocità ordini di grandezza inferiori rispetto a fasci convenzionali (effusivi). Una volta trasferite al fascio ionico, tali caratteristiche potrebbero condurre alla realizzazione di una promettente alternativa alle sorgenti FIB convenzionali, in grado di migliorare la risoluzione spaziale ed estendere ulteriormente la loro applicazione pratica.
In questo contesto, la tesi dimostra la fattibilità della fotoionizzazione del fascio atomico “freddo e lento”. A questo scopo, nell’apparato a vuoto è stata integrata una camera di ionizzazione munita di un rivelatore di particelle cariche orientato ortogonalmente rispetto all’asse del fascio atomico. Le misure dimostrano come un semplice schema di fotoionizzazione (two step, two color), che consiste nell’eccitazione risonante al livello 62P3/2 e l’uso di un fotone violetto (405 nm) da un laser a diodo di media potenza per portare gli elettroni a 0,6 eV sopra la soglia del continuo, conduce ad una efficiente produzione di ioni, con rate di conteggi fino a 105 Hz. Il processo è caratterizzato in funzione della potenza dei laser di eccitazione e ionizzazione, con o senza la presenza di un fascio laser addizionale di “ripompa” che chiude la transizione risonante utilizzata come primo step del processo, al fine di trovare i parametri ottimali per la produzione di ioni.
L’elevato rapporto segnale rumore della rivelazione ionica è stato inoltre utilizzato per effettuare misure di spettroscopia ad alta risoluzione sul fascio atomico dove, grazie alle sue specifiche proprietà dinamiche, l’allargamento Doppler è trascurabile e il tempo di interazione con il laser di eccitazione è abbastanza lungo affinchè il pompaggio ottico giochi un ruolo rilevante. Le misure, effettuate registrando il rate di conteggi ionici al variare della frequenza del laser di eccitazione, sono in generale disaccordo con un semplice modello atomico a due livelli. In particolare, la forza delle transizioni iperfini investigate, così come le loro larghezze di riga, mostrano una dipendenza peculiare dalla potenza di eccitazione. L’interpretazione dei risultati ha richiesto la realizzazione di due distinte simulazioni numeriche, basate sulle equazioni di rate e sulle equazioni di Bloch ottiche rispettivamente. Soltanto quest’ultimo approccio è in grado di descrivere correttamente quanto osservato, poiché considera effetti legati al pompaggio ottico Zeeman e all’intrappolamento in sottolivelli Zeeman scuri, che sono particolarmente rilevanti nell’interazione degli atomi con la radiazione. Quindi, al di là dei potenziali risultati in vista di applicazioni pratiche nel campo delle nanotecnologie, l’esperimento, grazie alle sue specifiche caratteristiche, ci permette di investigare e intepretare in modo originale fenomeni appartenenti all’area della fisica fondamentale.



Main goal of the thesis is the photoionization of a laser-manipulated Cesium atomic beam for applicative purposes. The use of focused ion beams (FIB) is emerging as an extremely effective and versatile technology for surface nanopatterning. Spatial resolution of commercial FIBs, presently in the ten nanometers range, appears to be limited by chromatic aberrations in the ion focusing process. Our research, carried out within an international cooperation, aims at obtaining quasi-monochromatic ion beams with superior dynamical properties, thanks to the use of non-conventional approaches. The atomic beam produced in our setup features specific dynamical properties, deserving the definitions of “cold and slow”. In fact, it is strongly collimated, being laser-cooled in the transverse directions, and owns longitudinal velocity and velocity distribution width orders of magnitude smaller than conventional (effusive) beams. Once transferred to the ion beam, such features might lead to a very fascinating alternative to conventional FIB sources, able to improve the spatial resolution and to further extend their practical applications.
Within this frame, the thesis demonstrates the feasibility of photoionization for a “cold and slow” atomic beam. To this aim, a ionization chamber equipped with a charge detector mounted orthogonally to the beam axis has been integrated in the vacuum system of the beam. Measurements prove that a simple photoionization scheme (two step, two color), involving resonant excitation to the 62P3/2 level and the use of a violet photon (405 nm) from a moderate power diode laser to bring electrons 0.6 eV above the continuum, leads to efficient ion production, with ion count rates up to 105 Hz. The process is investigated as a function of the power of both ionization and excitation lasers, with or without the presence of an additional “repumping” radiation intended to close the resonant transition used as the first step of the process, in order to find the optimal parameters for ion production.
The high signal to noise ratio of ion detection has been also used to perform sensitive and high resolution spectroscopy of the atomic beam, where, thanks to its specific dynamical features, Doppler effect is suppressed and the interaction time with the excitation laser can be made long enough for optical pumping to play a significant role. Spectroscopy, accomplished by measuring the ion count rate while sweeping the frequency of the excitation laser, shows a behavior in general disagreement with the simple two-level atom model. In particular, the strength of the hyperfine transitions investigated, as well as their linewidth, show a peculiar dependence on the excitation power. Interpretation of the results has been made by developing two distinct numerical models, based on rate equations and optical Bloch equations, respectively. Only the latter approach is able to correctly describe the findings, since it considers effects such as Zeeman optical pumping and trapping into dark Zeeman sublevels, which are strongly involved in the atom excitation process. Hence, besides the potential achievements in view of practical applications in the nanotechnology field, the experiment, thanks to its specific features, allows us to originally investigate and interpret phenomena pertaining to the fundamental area.