Detekce fotonů plazmatem chlazeným laserem

• Název práce v češtině: Detekce fotonů plazmatem chlazeným laserem
• Název v anglickém jazyce: Photon Detection by Laser-Cooled Plasma
• Klíčová slova: laserem chlazené plazma|kvantové technologie|metrologie
• Klíčová slova anglicky: laser-cooled plasma|quantum technologies|metrology
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Michal Hejduk, Ph.D.
• Konzultanti: RNDr. Petr Dohnal, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1. Provést komplexní rešerši literatury o kvantové detekci fotonů s důrazem na použití v pasti zachycených částic.
2. Navrhnout a vyvinout zařízení na detekci mikrovln a radio-frekvenčních vln založené na Paulově pasti.
3. Prozkoumat a otestovat mechanismy excitace provázaného systému iontů a elektronů mikrovlnami.
4. Predikce výstupů experimentů, sběr a analýza dat pomocí pokročilých výpočetních metod.

Seznam odborné literatury

1. Budker, D. et al. Millicharged Dark Matter Detection with Ion Traps. PRX Quantum 3, 010330 (2022).
2. Carney, D., Häffner, H., Moore, D. C. & Taylor, J. M. Trapped Electrons and Ions as Particle Detectors. Phys. Rev. Lett. 127, 061804 (2021).
3. Cridland, A., Lacy, J. H., Pinder, J. & Verdú, J. Single Microwave Photon Detection with a Trapped Electron. Photonics 3, 59 (2016).
4. Al-Rjoub, A. & Verdú, J. Electronic detection of a single particle in a coplanar-waveguide Penning trap. Appl. Phys. B 107, 955–964 (2012).
5. Další podle doporučení školitele.

Předběžná náplň práce

Díky svému poměru elektrický náboj:hmotnost jsou levitující elektrony ideálními kandidáty na médium pro detekci částic majících velmi malou hybnost nebo energii, což je např. případ fotonů v mikrovlnném a radiofrekvenčním oboru. Tato skutečnost se dá využít k pasivní detekci zařízení vysílajících v těch frekvenčních pásmech nebo v protokolech kvantové iluminace. K tomu ale potřebujeme připravit elektrony ve specifických kvantových stavech, což je téma této práce.
Konkrétně se v ní budeme zabývat chlazením elektronů v interakcích s laserem chlazenými ionty. V rámci práce budeme dále rozvíjet nejnovější model mikrovlnné pasti schopné udržet jak ionty, tak elektrony. Po úspěšných provozních zkouškách budeme zkoumat interakci kvantového systému iont-elektron po ozáření vnějším elektromagnetickým zářením a pracovat na definici vhodného detekčního protokolu.
Tyto práce budou probíhat v součinnosti s teoretickým výzkumem na Akademii věd ČR a vývojem ostatních částí experimentální aparatury. Cílem práce bude syntetizovat všechny dostupné poznatky a komponenty do fungujícího zařízení.

https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/php/dis-abs.php?id=461&langen=0

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Due to their electrical charge-to-mass ratio, levitating electrons are ideal candidates for a medium to detect particles with very low momentum or energy, such as photons in the microwave and radiofrequency range. This fact can be utilized for the passive detection of devices emitting in those frequency bands or in quantum illumination protocols. However, this requires preparing the electrons in specific quantum states, which is the topic of this thesis. Specifically, it will address the cooling of electrons in interactions with laser-cooled ions. Within this work, we will further develop the latest model of a microwave trap capable of holding both ions and electrons. After successful operational tests, we will examine the interaction of the quantum ion-electron system following exposure to external electromagnetic radiation and work on defining a suitable detection protocol. These efforts will take place in conjunction with theoretical research at the Czech Academy of Sciences and the development of other parts of the experimental apparatus. The goal of the thesis is to synthesize all available knowledge and components into a functioning device.

https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/php/dis-abs.php?id=461&langen=1