Koherentní optické jevy v katodoluminiscenci buzené modulovanými elektronovými svazky

• Název práce v češtině: Koherentní optické jevy v katodoluminiscenci buzené modulovanými elektronovými svazky
• Název v anglickém jazyce: Coherent optical phenomena in cathodoluminescence generated by modulated electron beams
• Klíčová slova: Ponderomotorický potenciál|kvantová optika|elektronová mikroskopie|koherence|katodoluminiscence
• Klíčová slova anglicky: Ponderomotive potential|quantum optics|electron microscopy|coherence|cathodoluminesence
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• 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: 16.08.2022
• Datum zadání: 16.08.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 15.09.2022
• Konzultanti: doc. RNDr. Tomáš Novotný, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Interakce vysokoenergetických elektronů s látkou je využívána ke studiu a zobrazování struktury materiálů. Díky detailnímu porozumění různým procesům během této interakce je např. možné mapovat složení materiálů nebo zobrazovat spektra plazmonových excitací vzorku. Jednou z metod, která dovoluje studovat luminiscenční vlastnosti vzorku s vysokým prostorovým rozlišením, je katodoluminiscence, při které svazek vysokoenergetických elektronů fokusovaný na studovaný materiál excituje valenční elektrony do vodivostního pásu. Pokud ve vzorku dochází k zářivé rekombinaci, emitované fotony lze charakterizovat jako funkci polohy elektronového svazku na vzorku a mapovat tak jeho optické vlastnosti s rozlišením několika nanometrů. Kromě této formy katodoluminiscence existují i procesy, které vedou přímo k vyzáření fotonů v důsledku interakce volných vysokoenergetických elektronů s elektrony v materiálu. Tato koherentní katodoluminiscence se projevuje například jako přechodové záření při přechodu elektronů mezi dvěma prostředími s různou susceptibilitou nebo jako tzv. Smith-Purcellovo záření pro případ, kdy se elektrony pohybují v blízkosti dielektrika či kovu. V posledních letech byly vyvinuty nové metody optické kontroly elektronové vlnové funkce umožňující její modulaci jak v prostorové, tak v časové oblasti [1-5]. Otázka, která se v poslední době v této souvislosti objevila, souvisí s koherenčními vlastnostmi fotonů emitovaných elektrony nějakou formou koherentní katodoluminiscence. Některé teoretické práce předpovídají [6], že by mohlo být možné optickou koherenci přenesenou do elektronové vlnové funkce pozorovat v koherenčních vlastnostech emitovaných fotonů.
Cílem této práce bude jak teoretické, tak experimentální studium koherentní katodoluminscence buzené elektrony, jejichž vlnová funkce je v prostoru a čase modulována koherentními světelnými vlnami. Dále bude uchazeč studovat, je-li možné použít elektronové svazky s modulovanou hustotou ke koherentní excitaci kvantových systémů, např. kvantových bodů či molekul. Práce bude probíhat v rámci řešení ERC projektu eWaveShaper. V experimentální části práce se student zaměří na měření katodoluminiscence pomocí detekce jednotlivých fotonů v pulzním elektronovém mikroskopu. K modulaci elektronové vlnové funkce bude použita interakce s ponderomotorickým potenciálem optických polí ve vakuu. Koherenční vlastnosti emitovaných fotonů budou měřeny pomocí korelačních měření v Mach-Zenderově interferometru.

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] O. Kfir, V. Di Giulio, F. J. G. de Abajo, C. Ropers, Optical coherence transfer mediated by free electrons. Sci. Adv. 7, eabf6380 (2021).
[7] Lubk, A. Paraxial Quantum Mechanics. Adv. Imaging Electron Phys. 2018, 206, 15−58.
[8] Zewail, A. H. and Thomas, J. M., 4D Electron Microscopy, World Scientific 2009.