Simulations of dynamics of ultra-cold quantum plasma

Abstract

Title: Simulations of dynamics of ultra-cold quantum plasma Author: Andrej Rendek Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: Mgr. Michal Hejduk, Ph.D., Department of Surface and Plasma Science Abstract: We investigate the confinement of charged particles in an oscillating electromagnetic field, intending to trap electrons and calcium ions simultaneously. The theoretical part of this thesis focuses on the derivation of exact and effective potentials in a single frequency quadrupole trap. We show a general treatment of stability in such a field. Passing attained knowledge onto two-frequency trapping, which is much more suitable for confining two species with widely different charge-to-mass ratios. We follow up by studying the stability of electrons, employing computer simulations in the ideal two- frequency Paul trap. Our ambition is to identify a stable configuration minimizing electrons' temperature. We create multiple ion Coulomb crystals and examine the effect of their presence on electrons' stability. These efforts support the development of an experiment with the ambition to create and study quantum plasma. The composition of this experiment is outlined here as well. Keywords: Ion trapping, Coulomb crystal, Two frequency Paul trap

Názov práce: Simulace dynamiky ultra-chladného kvantového plazmatu Autor: Andrej Rendek Katedra: Katedra fyziky povrchů a plazmatu Vedúci práce: Mgr. Michal Hejduk, Ph.D., Katedra fyziky povrchů a plazmatu Abstrakt: V tejto práci skúmame zachycovanie elektricky nabitých častíc pomocou oscilujúcich elektromagnetických polí, s cieľom súčasne zachytiť ióny vápniku a elektróny. V teoretickej časti sa zameriavame na odvodenie presného a efektívneho potencialu v jednofrekvenčnej kvadrupólovej pasti. Ukazujeme obecný prístup k stabilite častice v takomto poli. Získané znalosti ďalej použijeme pre prípad dvojfrekvenčnej pasti, ktorá je vhodnejšia pre zachycovanie dvoch rôznych častíc s výrazne odlišným pomerom náboja ku hmotnosti. Pokračujeme štúdiom stability elektrónu za použitia počítačových simulácií v dvojfrekvenčnej kvadrupólovej pasti. Našou ambíciou je identifikovať stabilnú configuráciu pasti, ktorá súčasne minimalizuje teplotu elektrónov. Vytvoríme niekoľko Coulombových krýštálov a sledujeme ich vplyv na stabilitu elektrónu. Touto prácou napomáhame k zhotoveniu experientu, v ktorom sa snažíme vytvoriť a študovať kvantovú plazmu. Zostava tohto experimentu je taktiež načrtnutá našej práci. Kľúčové slová: Zachycovanie iónov, Coulombov kryštál, Dvojfrekvenčná kvadrupólová pasť