Fotonica in Mezzi Random

Negli ultimi anni, i sistemi detti random laser (ad esempio polveri, tinte, mezzi porosi, precipitati in soluzione, o cristalli fotonici con impurità) sono stati ampiamente studiati sperimentalmente. Pompando energia in questi sistemi essi emettono luce multimodale coerente, con uno spettro di emissione i cui picchi sono disposti in maniera disordinata in frequenza. A partire dalla struttura e dalla geometria degli atomi e delle molecole che diffondono le onde luminose, lo scopo ultimo della ricerca è di ottenere una teoria che predica le modalità dell’insorgere, la natura e le caratteristiche dei modi di luce nei mezzi ottici disordinati e di rispondere alle seguenti domande.

  1. Con che forma e taglia si estendono spazialmente i modi di luce?
  2. In che dimensione e sotto quali condizioni i modi di luce localizzano a causa del disordine?
  3. Su quali frequenze emettono i modi di luce in mezzi disordinati?
  4. Può essere realizzato un impulso temporale in un random laser?
  5. Modi laser in competizione possono generare agganciamento di fase come nei laser multimodali standard?
  6. Quanto è forte l’interazione tra modi e come dipende dalla loro sovrapposizione spaziale e dalla eterogeneità della suscettibilità ottica?

Le ultime due domande sono collegate alla proprietà dell’accoppiamento di dipendere dalla sovrapposizione spaziale dei campi elettromagnetici dei modi interagenti. Questa caratteristica si ricollega al problema della determinazione della struttura di una rete interagente di modi di luce in una rappresentazione meccanica statistica. Infatti, un insieme di modi può interagire solo se i loro campi elettromagnetici si sovrappongono nello spazio e, nel regime lasing, l’amplificazione stimolata si verifica solo se le frequenze dei modi soddisfano qualche tipo di condizione di concatenamento di frequenze non lineare. Questi presupposti influenzano fortemente l’insieme di interazioni possibili in un network in cui ogni modo è visto come un nodo di rete. Una sfida chiave che cerchiamo di affrontare è la caratterizzazione della struttura di questa rete di modi di luce, ivi incluse magnitudini e segni delle costanti di accoppiamento, al fine di distinguere differenti regimi fisici del che presentano comportamento laser. A tal fine una teoria Hamiltoniana è stata derivata e studiata in sistemi con diversi tipi di accoppiamento, spaziando dal caso ordinato multimodale con agganciamento di fase al più recenti random laser vetroso.

Random Laser Vetrosi e Misura Sperimentale della rottura di Simmetria di Replica

Lo studio del comportamento vetroso della luce nell’ambito della nostra teoria è reso possibile dall’introduzione di un nuovo parametro di overlap, detto overlap di fluttuazione di intensità (IFO), che misura la correlazione tra fluttuazioni di intensità dei modi delle onde nei mezzi disordinati. Tale parametro d’ordine permette di identificare la transizione laser in regimi fisici arbitrari, con gradi di disordine e di nonlinearità variabili. In particolare, permette di identificare la natura vetrosa di taluni laser disordinati in termini di emissione spettrale, l’unica osservabile fino ad ora sperimentalmente misurabile nei laser disordinati. Il modello sviluppato da principi primi, nel cui ambito il parametro IFO è definito, è il modello meccanico-statistico dei favori nonlineari. Questo è un modello generale di vetro di spin sferici complessi, risolubile nell’approssimazione di campo medio per mezzo della teoria della rottura di simmetria di replica. Misure di IFO sono possibili anche in esperimento ed hanno portato di recente alla validazione della teoria di rottura di simmetria di replica e ad una nuova caratterizzazione dei laser in termini di fluttuazioni di intensità spettrale.

Inferenza degli Accoppiamenti delle Onde nei Mezzi Disordinati

I network di interazione dei modi di luce possono essere estrapolati a partire da dati acquisiti in misure di spettri e correlazioni di fasi e di ampiezze dei modi stessi. Questo problema è analogo ad altri problemi inversi in altre aree di applicazione dell’ inferenza statistica. A partire dall’analisi del problema inverso in sistemi di meccanica statistica con variabili continue, come rotori e favori, il nostro programma di inferenza ha lo scopo di affrontare lo studio di modelli statistici per applicazioni alle onde e all’ottica. I parametri che descrivono dati modelli, quali i legami attivi in una rete ed i campi esterni che influenzano il sistema, vengono estrapolati usando set di dati prodotti sperimentalmente o numericamente. Per ricostruire le reti di interazione e per stimare quantitativamente l’intensità ed il segno degli accoppiamenti vengono utilizzate ed adattate diverse tecniche note di inferenza quali, ad esempio l’approccio di campo medio o la massimizzazione della pseudo-verosimiglianza, sia con regolarizzazione L1 o L2 che con decimazione progressiva dei link, ed altre vengono sviluppate. I problemi inversi per la ricostruzione delle reti di interazione riguardano grafi di diverso tipo, dai reticoli 2D e 3D con interazione a corto raggio, ai grafi aleatori sparsi, quali Bethe o Erdos-Renyi, fino a grafi aleatori bipartiti densi o completi.

Facilities and Labs

S.Li.M. Lab @ Roma

People

Leuzzi LeuzziLuca

Leuzzi

Ricercatore CNR

fabrizioantenucci_postdocFabrizio

Antenucci

PostDoc Associato

alessiamarruzzo_postdocAlessia

Marruzzo

PostDoc Associato

payaltyagi_postdocPayal

Tyagi

PostDoc Associato

Publications

  1. F Antenucci, Statistical Physics of Wave Interactions,  Springer (2016).
  2. P Tyagi, A Marruzzo, A Pagnani, F Antenucci, L Leuzzi, Regularization and decimation pseudolikelihood approaches to statistical inference in XY-spin models,  Physical Review B 94, 024203 (2016) Doi: 10.1103/PhysRevB.94.024203.
  3. F Antenucci, A Crisanti, M Ibáñez-Berganza, A Marruzzo, L Leuzzi, Statistical mechanics models for multimode lasers and random lasers.  Philosophical Magazine 96, 704-731 (2016) Doi: 10.1080/14786435.2016.1145359.
  4. F Antenucci, MI Berganza, L Leuzzi, Statistical physics of nonlinear wave interaction,  Physical Review B 92, 014204 (2015) Doi: 10.1103/PhysRevB.92.014204 .
  5. P Tyagi, A Pagnani, F Antenucci, M Ibanez Berganza, L Leuzzi, Inference for interacting linear waves in ordered and random media,  Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment 2015 (5), Doi: 10.1088/1742-5468/2015/05/P05031
  6. F Antenucci, A Crisanti, L Leuzzi, Complex spherical 2+ 4 spin glass: A model for nonlinear optics in random media,  Physical Review A 91, 053816 (2015) Doi: 10.1103/PhysRevA.91.053816.
  7. F Antenucci, MI Berganza, L Leuzzi, Statistical physical theory of mode-locking laser generation with a frequency comb.  Physical Review A 91, 043811 (2015) Doi: 10.1103/PhysRevA.91.043811  .
  8. A Marruzzo, L Leuzzi, Nonlinear XY and p-clock models on sparse random graphs: Mode-locking transition of localized waves,  Physical Review B 91, 054201 (2015) Doi:10.1103/PhysRevB.91.054201 .
  9. F Antenucci, C Conti, A Crisanti, L Leuzzi, General phase diagram of multimodal ordered and disordered lasers in closed and open cavities.  Physical Review Letters 114, 043901 (2015) Doi: 10.1103/PhysRevLett.114.043901 .
  10. N Ghofraniha, I Viola, F Di Maria, G Barbarella, G Gigli, L Leuzzi, C Conti, Experimental evidence of replica symmetry breaking in random lasers,  Nature communications 6, 5 (2015) Doi:10.1038/ncomms7058 .
  11. F Antenucci, A Crisanti, L Leuzzi, The glassy random laser: replica symmetry breaking in the intensity fluctuations of emission spectra,  Scientific reports 5, 16792 (2015) Doi:10.1038/srep16792 .
  12. F Antenucci, M Ibanez Berganza, L Leuzzi, Statistical mechanical theory of mode-locked multimode lasers in closed cavity: determination of thresholds, spectra, pulse phase delays and pulse correlations.  Phys. Rev. A 91, 043811 (2014) Doi: 10.1103/PhysRevA.91.043811.

Other Selected Publications

  1. V Folli, A Puglisi, L Leuzzi, C Conti, Shaken Granular Lasers,  Physical Review Letters 108, 248002   (2012) Doi: 10.1103/PhysRevLett.108.248002.
  2. L Leuzzi, C Conti, V Folli, L Angelani, G Ruocco, Phase Diagram and Complexity of Mode-Locked Lasers: From Order to Disorder,  Physical Review Letters 102, 083901 (2009) Doi:10.1103/PhysRevLett.102.083901 .

Project

Statistical mechanics of disordered granular laser systems: theory and experiment,” funded by the Italian Ministry of Research (MIUR) program futuro in ricerca. (2010-2015),

NETADIS: Networks across disciplines, FP7-PEOPLE-2011-ITN Project (2011-2015).

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TERAMETANANO - International Conference on Terahertz Emission, Metamaterials and Nanophotonics

TERAMETANANO - IV ed.

Castello Carlo V, Lecce 27 -31 Maggio 2019

The IV edition of TERAMETANANO, the International Conference on Terahertz Emission, Metamaterials and Nanophotonics, will take place in Lecce (Italy) from 27 to 31 of May 2019 in the 16th-century Castle of Charles V   with two special nights that will be held in an original Theatre of Roman period.

 

TERAMETANANO is an annual conference that gather physicists studying a wide variety of phenomena in the areas of nano-structuresnano-photonics and meta-materials, with special attention to the coupling between light and matter and in a broad range of wavelengths, going from the visible up to the terahertz.

 

Al via la fase 2 del Tecnopolo per la medicina di precisione

Firmata convenzione tra Regione, Università e Cnr per avvio seconda fase del Tecnopolo

Bari, 27 novembre 2018 

Sottoscritto stamane l’accordo tra Regione PugliaCnr Consiglio nazionale delle ricerche, Irccs Giovanni Paolo II di Bari e Università di Bari per l’avvio della seconda fase del Tecnopolo per la Medicina di Precisione. Sede del tecnopolo, il CnrNanotec.

“La sfida della medicina moderna è tradurre nella pratica clinica gli enormi progressi compiuti dalla scienza e dalla tecnologia. In questo contesto le nanotecnologie, focalizzate sull’indagine e sulla manipolazione della materia a livello nanometrico-molecolare, si presentano come uno strumento potentissimo al servizio della medicina di precisione, la nuova frontiera che punta allo sviluppo di trattamenti personalizzati per il singolo paziente”, afferma  Giuseppe Gigli, direttore di Cnr Nanotec e coordinatore del Tecnopolo.

Link video dichiarazione Massimo Inguscio: http://rpu.gl/uChUl

Link video di presentazione Tecnomed: http://rpu.gl/Qqerm

Link video dichiarazione Michele Emiliano: http://rpu.gl/aJoee