Kvantová statistika a koherence fotonů emitovaných opticky modulovanými elektronovými svazky

• Název práce v češtině: Kvantová statistika a koherence fotonů emitovaných opticky modulovanými elektronovými svazky
• Název v anglickém jazyce: Quantum statistics and coherence of photons emitted by optically modulated electron beams
• Klíčová slova: Kvantová elektrodynamika|elektron-fotonová interakce|koherence|koherentní katodoluminiscence
• Klíčová slova anglicky: Quantum electrodynamics|electron-photon interaction|coherence|coherent cathodoluminescence
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: diplomová 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: 04.03.2023
• Datum zadání: 06.03.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 21.04.2023
• Datum odevzdání elektronické podoby: 01.05.2024
• Oponenti: doc. Ing. Andrea Konečná, Ph.D.
• Konzultanti: doc. RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Interakce elektronů s vysokou kinetickou energií s látkou je využívána ke studiu a zobrazování struktury materiálů v elektronové mikroskopii a difrakci. Díky detailnímu porozumění různým procesům během této interakce je např. možné mapovat složení materiálů nebo zobrazovat spektra plazmonových excitací vzorku. Jednou z forem interakce vysokoenergetického elektronu s látkou je emise fotonu díky vazbě elektromagnetického pole elektronu s polarizací látky v jeho blízkosti. Tato tzv. koherentní katodoluminiscence se projevuje například jako přechodové záření při přechodu elektronů mezi dvěma prostředími s různou susceptibilitou nebo jako tzv. Smith-Purcellovo záření v případě, že se elektrony pohybují v blízkosti dielektrika či kovu. V posledních letech byly vyvinuty nové metody optické kontroly elektronové vlnové funkce umožňující její modulaci pomocí optických polí 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 pomocí 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 teoretické studium koherentní katodoluminscence buzené elektrony, jejichž vlnová funkce je modulována v časové i prostorové oblasti světelnými vlnami. Zejména se zaměříme na koherenční vlastnosti emitovaných fotonů a jejich korelaci s fotony modulujících vln. Diplomant se zaměří na rigorózní kvantově elektrodynamický popis interakce volných elektronů s nanostrukturami různých typů, od nejjednodušších modelů dielektrických kuliček či válců po složitější struktury z různých materiálů. Výstupem práce bude stanovení podmínek umožňujících experimentální pozorování koherence katodoluminiscenčních fotonů v elektronovém mikroskopu.

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.