Interakce volných elektronů se silnými elektromagnetickými poli

• Thesis title in Czech: Interakce volných elektronů se silnými elektromagnetickými poli
• Thesis title in English: Interaction of free electrons with strong electromagnetic fields
• Key words: elektronový mikroskop|ponderomotorický potenciál|volný elektron|vlnový balík|prostorová koherence|časová koherence
• English key words: electron microscope|ponderomotive potential|free electron|wavepacket|spatial coherence|temporal coherence
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Supervisor: doc. RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D.

Guidelines

Tvarování vlnových balíků volných elektronů s pomocí střídavých elektromagnetických polí umožňuje relativně přesnou kontrolu prostorové a spektrální hustoty částic. Interakce urychlených elektronů s látkou umožňuje pozorování kvantových jevů s vysokým časovým a prostorovým rozlišením, toto pozorování je ale silně ovlivněno vlastnostmi elektronového vlnového balíku. Kromě klasických parametrů jako časová, prostorová nebo spektrální hustota jsou důležité koherenční vlastnosti elektronů. Náplní dizertační práce bude teoretický popis parametrů elektronového vlnového balíku po interakci s elektromagnetickým zářením s důrazem na koherenční vlastnosti elektronů. Poté bude úkolem popis interakce částečně koherentních elektronových svazků s atomy a nanostrukturami.

References

A. Feist, K. E. Echternkamp, J. Schauss, S. V. Yalunin, S. Schäfer, C. Ropers, Nature 521, 200 (2015)

F. J. García de Abajo, Rev. Mod. Phys. 82, 209 (2010)

F. J. García de Abajo, V. Di Giulio, ACS Photonics 8, 945 (2021)

O. Schwartz, J. J. Axelrod, S. L. Campbell, R. M. Glaeser, H. Müller, Nature Methods 16, 1016 (2020)

A. Gover, A. Yariv, Phys. Rev. Lett. 124, 064801 (2020)

S. M. Lloyd, M. Babiker, G. Thirunavukkarasu, J. Yuan, Rev. Mod. Phys. 89, 035004 (2017)

Y. Morimoto, P. Baum, Nature Physics 14, 252 (2018)

G. M. Vanacore, I. Madan, G. Berruto, K. Wang, E. Pomarico, R. J. Lamb, D. McGrouther, I. Kaminer, B. Barwick, F. Javier García de Abajo , F. Carbone, Nature Commun. 9, 2694 (2018)

Preliminary scope of work

Elektronové svazky je možné tvarovat nebo urychlovat s pomocí elektromagnetických polí. Dva nebo více interferujících optických svazků vytvoří pro elektrony časově proměnlivý efektivní ponderomotorický potenciál, ve kterém se elektrony pohybují v prvním přiblížení podle Newtonových pohybových zákonů. Jednotný kvantový popis interakce zatím neexistuje. Jev můžeme vysvětlit buďto na úrovni stimulovaného Comptonova rozptylu, nebo na úrovni kvantové mechaniky v efektivním potenciálu. Existující kvantové modely zatím dokáží určit střední hodnoty elektronové hustoty v prostoru, čase nebo energi. Koherenční vlastnosti vlnového balíku ale zatím zkoumané nebyly: nejenom jako důsledek nekoherence elektromagnetických polí, ale také jako důsledek nekoherence počátečního stavu. Tyto koherenční vlastnosti jsou pak důležité při interakci s materiálem a projeví se např. ve spektru sekundární optické emise atomu po srážce s urychleným elektronem.

Preliminary scope of work in English

It is possible to shape or accelerate electron beams with the help of electromagnetic fields. Two or more interfering optical beams create an effective non-stationary ponderomotive potential for electrons which drives the electron motion on the level of Newtonian mechanics in the first approximation. Unified quantum description of the interaction does not, however, exist yet. The phenomenon can be described in terms of stimulated Compton scattering or on the level of quantum mechanics with an effective electron potential. The existing quantum models can yet determine the mean values of the electron density in space, time or energy. Coherence properties of the wave packet have not been investigated up to now: neither as a consequence of suppressed coherence of the electromagnetic fields nor due to the incoherence of the initial electron state. These coherence properties are indeed important during electron-material interaction e.g. in the secondary optical emission spectra after an impact of the accelerated electron with an atom.