Časově-rozlišená elektronová holografie pro zobrazování optických blízkých polí

• Název práce v češtině: Časově-rozlišená elektronová holografie pro zobrazování optických blízkých polí
• Název v anglickém jazyce: Time-resolved electron holography for imaging of optical near-fields
• Klíčová slova: Ponderomotorický potenciál|kvantová optika|elektronová mikroskopie|koherence|holografie
• Klíčová slova anglicky: Ponderomotive potential|quantum optics|electron microscopy|coherence|holography
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Martin Kozák, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 02.08.2022
• Datum zadání: 02.08.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 15.09.2022
• Konzultanti: doc. RNDr. Tomáš Novotný, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Ke studiu struktury materiálů s prostorovým rozlišením umožňujícím zobrazit jednotlivé atomy v krystalické mřížce je v současné době nejčastěji využívána elektronová mikroskopie a difrakce. Kromě vysokého prostorového rozlišení je v experimentech využívající elektronové svazky možné získat také informace o dynamice ultrarychlých procesů pomocí kombinace elektronové optiky s fyzikou ultrakrátkých laserových pulzů. Časově-rozlišené zobrazování s femto- nebo pikosekundovými elektronovými svazky umožnilo v minulosti studovat např. dynamiku fázových přechodů, rychlost chemických reakcí či disociačních procesů. Elektronové pulzy jsou typicky generovány fotoemisí elektronů z katody elektronového mikroskopu nebo difraktometru a jejich interakce se vzorkem je měřena jako funkce časového zpoždění po excitaci vzorku laserovými pulzy. Klasická elektronová optika využívá vlnovou povahu elektronů urychlených na vysoké energie. Elektrostatické a magnetostatické elementy slouží k fokusaci a úpravě příčného rozložení elektronových svazků pomocí prostorové fázové modulace vlnové funkce. Kromě statických polí byly v poslední době vyvinuty metody fázové modulace vlnové funkce elektronů v čase pomocí interakce s optickými poli [1-5]. Tuto fázovou modulaci je v principu možné využít k interferenčnímu typu experimentu, ve kterém budou elektronové vlny procházející dvěma interakcemi s optickými poli vytvářet prostorově-závislé interferenční obrazce či hologramy. Tato práce bude zaměřená na experimentální a teoretický vývoj této nové časově-rozlišené zobrazovací metody.

Cílem práce bude stavba a vývoj experimentálního uspořádání pro časově-rozlišené zobrazování optických blízkých polí nanostruktur pomocí výše zmíněné metody v rámci ERC projektu eWaveShaper. Experiment bude založený na kombinaci elektronového mikroskopu s femtosekundovým laserovým systémem, který bude jednak generovat krátké pulzy elektronů pomocí fotoemise a dále bude sloužit k modulaci elektronové vlnové funkce v čase pomocí ponderomotorického potenciálu generovaného pomocí dvojice pulzů a k excitaci optického blízkého pole na studovaném vzorku. Spektrálně-rozlišená detekce elektronů bude probíhat pomocí magnetického spektrometru a mikrokanálového zesilovače. Uchazeč se bude dále věnovat teoretickému popisu interakce elektronových vlnových balíků s optickými poli ve volném prostoru a s optickými blízkými poli nanostruktur s cílem popsat koherentní fázovou modulaci elektronů a interferenční jevy v důsledku interakce elektronů s několika koherentními optickými vlnami.

Seznam odborné literatury

[1] M. Kozák, et al., “Inelastic ponderomotive scattering of electrons at a high-intensity optical travelling wave in vacuum,“ Nat. Phys. 14, 121-125 (2018).
[2] M. Kozák, et al., “Ponderomotive generation and detection of attosecond free-electron pulse trains,“ Phys. Rev. Lett. 120, 103203 (2018).
[3] Feist, A. et al. “Quantum coherent optical phase modulation in an ultrafast transmission electron microscope,” Nature 521, 200-203 (2015).
[4] Kapitza, P. L. & Dirac, P. A. M., “The reflection of electrons from standing light waves,” Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297-300 (1933).
[5] D. L. Freimund, K. Aflatooni, and H. Batelaan, “Observation of the Kapitza-Dirac Effect,” Nature 413, 142 (2001).
[6] Lubk, A. Paraxial Quantum Mechanics. Adv. Imaging Electron Phys. 2018, 206, 15−58.
[7] Zewail, A. H. and Thomas, J. M., 4D Electron Microscopy, World Scientific 2009.
[8] Vybraná časopisecká literatura.