Kvantově-mechanické provázání optického rezonátorů s ionty v ultra-chladném plazmatu

Student: Hudák Ivan
Vedoucí: Mgr. Michal Hejduk, Ph.D.
Stav práce: obhájená

Abstrakt:

Ionty lasery zchlazené na tisíciny stupně nad absolutní nulou se dnes využívají v kvantových počítačích, kvantových detektorech a kvantových simulátorech. Simulátory slouží ke konstrukci modelů imitujících reálné systémy – jako jsou okraje černých děr, raný vesmír nebo vysokoteplotní supravodiče – které se vyznačují kvantově mechanickým kolektivním chováním, jež by klasické počítače simulovaly léta.

Ionty se musí uchovávat izolované od vnějších rušivých vlivů v tzv. iontových pastech. Na Katedře fyziky povrchů a plazmatu již léta provozujeme dvě a třetí vzniká právě za účelem zkoumání kvantových kolektivních jevů v plazmatu. Cílem je vytvořit systém, který bude obsahovat jak ionty, (což už je dnes ustálená praxe) tak i elektrony (to je nové). Něco podobného existuje uvnitř bílých trpaslíků a na površích neutronových hvězd. My máme tedy za cíl vytvořit “bílého trpaslíka na Zemi”.

Vzhledem k tomu, že elektrony jsou 1800krát lehčí než protony, jejich vliv na pohyb ultra-chladných iontů bude stěží pozorovatelný existujícími experimentálními metodami. Proto v Ultra-Cold Plasma Laboratory vyvíjíme detekční metodu založenou na provázání kvantových stavů iontů s módy optického rezonátoru (nebo jinými slovy vycházející z principů Cavity Quantum Electrodynamics, CQED).

V rámci Vaší bakalářské práce zkonstruujete systém pro stabilizaci laseru pro tuto detekční metodu a budete se podílet na prvotních experimentech. Získáte praxi s používáním laserů, což vám otevře dveře do prestižních zahraničních pracovišť, jak akademických, tak soukromých (Honeywell, Infineon a další).

Projekt je financován z programu PRIMUS, jenž má za cíl podporovat mladé vědce přicházející ze zahraničí při rozvíjení excelentního výzkumu na půdě Univerzity Karlovy.

Více informací rovněž zde: https://mhejduk.com.

Zásady pro vypracování

  1. Studium doporučené literatury.
  2. Návrh optického rezonátoru.
  3. Vývoj stabilizačního algoritmu.
  4. Návrh algoritmu pro zpracování dat.

Literatura

  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. Dohnal, P., …, Hejduk, M. et al. Collisional-radiative recombination of Ar+ ions with electrons in ambient helium at temperatures from 50 K to 100 K. Phys. Rev. A 87, 052716 (2013).
  4. Foot, C. J. Atomic Physics (Oxford University Press, 2005).