Light-Matter Interaction in Ultracold Plasma
| Thesis title in Czech: | Interakce světla s ultrachladným plazmatem |
|---|---|
| Thesis title in English: | Light-Matter Interaction in Ultracold Plasma |
| Key words: | ultrachladné plazma|kvantová mechanika|kvantová optika |
| English key words: | ultracold plasma|quantum mechanics|quantum optics |
| Academic year of topic announcement: | 2021/2022 |
| Thesis type: | dissertation |
| Thesis language: | angličtina |
| Department: | Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP) |
| Supervisor: | Mgr. Michal Hejduk, Ph.D. |
| Author: | hidden - assigned and confirmed by the Study Dept. |
| Date of registration: | 08.02.2022 |
| Date of assignment: | 08.02.2022 |
| Confirmed by Study dept. on: | 18.02.2022 |
| Advisors: | doc. RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D. |
| Guidelines |
| 1. Studium odborné literatury a vypracování rešerše.
2. Návrh optické aparatury. 3. Návrh propojení optické aparatury s iontovou pastí. 4. Stavba iontové pasti. 5. Provést měření pomocí aparatury z bodů 2. až 4. 6. Interpretovat naměřené výsledky pomocí počítačových metod. |
| References |
| 1 Herskind, P. F., Dantan, A., Marler, J. P., Albert, M. & Drewsen, M. Realization of collective strong coupling with ion Coulomb crystals in an optical cavity. Nature Phys 5, 494–498 (2009).
2 Hejduk, M. & Heazlewood, B. R. Off-axis parabolic mirror relay microscope for experiments with ultra-cold matter. Rev. Sci. Instrum. 90, 123701 (2019). 3 Ben Hayun, A., Reinhardt, O., Nemirovsky, J., Karnieli, A., Rivera, N., Kaminer, I. Shaping quantum photonic states using free electrons, Science Advances, 10.1126/sciadv.abe4270, 7, 11, (eabe4270), (2021). 4 Other scientific papers recommended by the supervisor. |
| Preliminary scope of work |
| Silně vázané plazma se na rozdíl od toho klasického vyznačuje převahou dalekodosahových sil nad tepelnými fluktuacemi, co se jeho dynamiky týče. Lze jej nalézt v jádrech bílých trpaslíků nebo na površích neutronových hvězd. Tam přežívá díky tomu, že elektrony jsou delokalizovány přes mnoho iontů, stejně jako v modelu elektronového plynu u elektrických vodičů. Takový systém lze v laboratoři realizovat zchlazením plazmatu na tisíciny stupně nad absolutní nulou.
Takovéto ultrachladné plazma je silně nelineárním systémem, kde většina interakcí je nebinárního charakteru. Jeho interakce s fotony se může projevit pozměněním dynamiky nabitých částic i vlastností procházejícího záření. Student se v rámci práce zaměří na pozorování interakcí sytému kvantových částic s fotony v ultrachladném plazmatu a vymyslí, jak je využít při sledování dynamiky iontů a elektronů. Za tímto účelem zhotoví optický rezonátor, který propojí s nově vyvíjenou pastí na elektrony a ionty. Jelikož nelze oddělit problematiku udržení plazmatu od optické diagnostiky, bude se rovněž podílet na návrhu celé aparatury. |
| Preliminary scope of work in English |
| How a strongly coupled plasma behaves dynamically as a whole is governed primarily by long-range interactions, not thermal fluctuations like in the classical plasma. The strongly coupled plasma can be found in cores of white dwarf stars and surfaces of neutron stars where it gains the stability from the effect that electron-ion recombination processes are suppressed due to delocalisation of the electrons over many ions. Such a system is possible to be produced by cooling the plasma to fractions of a degree above absolute zero.
Such an ultra-cold plasma is a non-linear system, where most interactions are of a non-binary nature. Its interactions with photons can result in changes of the dynamics of charge carriers and modify the properties of the light passing through. The prospective student will focus on observation of interactions between the quantum many-body system in the ultra-cold plasma and photons in order to figure out how to exploit them in monitoring dynamics of ions and electrons. For that purpose, he/she will construct an optical resonator matched with a novel electron-ion trap. As the optical diagnostics is inseparable from the problem of plasma confinement, he/she will contribute to the design of the whole experimental apparatus. |