Trabajo de Fin de Máster

Una vez superadas el resto de asignaturas, para obtener el título de máster cada estudiante debe presentar su Trabajo de Fin de Máster, en el que deberá mostrar las competencias y conocimientos adquiridos a lo largo del curso. A continuación se expone el listado de trabajo que se proponen para este curso. Sin embargo, los estudiantes podrán proponer otros proyectos a los profesores del máster para que se los tutoricen.

Listado de trabajos Fin de Máster

(Pinchar en el título para obtener más detalles)

Tutor/a: J. Jiménez

Estudiante:

Descripción:

Tutor/aLuis Plaja y Carlos Hernández-García

Estudiante: Rodrigo Martín Hernández

Descripción: Además de la excitación interna, la absorción de los fotones por los átomos conlleva un cambio en el momento lineal del centro de masas. Cambios de este tipo resultan en lo que, en física clásica, denominamos como «fuerzas». Estudiaremos la interacción de un sistema de dos niveles con un láser, teniendo en cuenta la descripción cuántica de la posición y el momento del centro de masas. Una vez analizados los efectos de la luz sobre el centro de masas del átomo, exploraremos los diferentes regímenes de interacción (resonante y adiabática) al igual que diferentes geometrías del haz láser.

Tutor/a: Rocío Yanes y Carlos Hernández-García

Estudiante:

Descripción: Recientemente se ha demostrado que los pulsos láser ultracortos son una herramienta única para inducir y observar la dinámica de la magnetización en distintos materiales magnéticos. La aparición de nuevos esquemas para controlar ópticamente el orden ferromagnético en escalas de femtosegundos [1] ha suscitado un creciente interés a lo largo de los últimos años. Por ejemplo, en regímenes fuera de equilibrio, no solo se ha conseguido cambiar el orden magnético, sino controlar estados magnéticos determinísticamente mediante pulsos láser de femtosegundo. Además, la exticación mediante pulsos láser permite inducir transferencia de espín entre distintos dominios magnéticos [2, 3]. Estos desarrollos han abierto la posibilidad incluso de estudiar fenómenos magnéticos en la escala de los attosegundos [4], un mundo totalmente inexplorado hasta la fecha.

En este TFM, de carácter teórico, pretendemos adentrarnos en el mundo del magnetismo ultrarrápido estudiando la magnetización inducida por láser en estructuras ferrimagnéticas, utilizando algoritmos de simulación de la dinámica de espín. Nos gustaría entender los mecanismos responsables del control óptico de la magnetización, y si nos da tiempo, explorar su aplicación en dispositivos magnéticos de THz. Estudiaremos la respuesta magnética en materiales ferrimagnéticos mediante una adaptación de la ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert [5].

Se trata por tanto de un trabajo de simulación teórica, cuya comprensión no impedirá que el trabajo pueda comenzar al principio del curso (altamente recomendable). El alumno podrá usar cualquier lenguaje de programación avanzada (C, Fortran, o Python) aunque también se podrán utilizar otros lenguajes (Matlab o Mathematica).

Referencias bibliográficas:

[1] A. Kirilyuk, A. V. Kimel, and T. Rasing, Rev. Mod. Phys. 82, 2731 (2010).

[2] J. K. Dewhurst, P. Elliott, S. Shallcross, E. K. U. Gross, and S. Sharma, Nano Lett. 18, 1842 (2018).

[3] D. Steil, J. Walowski, F. Gerhard, T. Kiessling, D. Ebke, A. Thomas, T. Kubota, M. Oogane, Y. Ando, J. Otto, A. Mann, M. Hofherr, P. Elliott, J. K. Dewhurst, G. Reiss, L. Molenkamp, M. Aeschlimann, M. Cinchetti, M. Mu ̈nzenberg, S. Sharma, and S. Mathias, Phys. Rev. Research 2, 023199 (2020).

[4] M. Hofherr, S. Haüser, J. K. Dewhurst, P. Tengdin, S. Sakshath, H. T. Nembach, S. T. Weber, J. M. Shaw, T. J. Silva, H. C. Kapteyn, M. Cinchetti, B. Rethfeld, M. M. Murnane, D. Steil, B. Stadtmüller, S. Sharma, M. Aeschlimann, and S. Mathias, Science Advances 6, eaay8717 (2020).

[5] M. Hudl, M. d’Aquino, M. Pancaldi, S.-H. Yang, M. G. Samant, S. S. P. Parkin, H. A. Dürr, C. Serpico, M. C. Hoffmann, and S. Bonetti, Phys. Rev. Lett. 123, 197204 (2019).

Tutor/aJ. San Roman y Carlos Hernández-García

Estudiante:

Descripción: Durante los últimos años ha emergido un creciente interés en el desarrollo de haces de luz láser de alta frecuencia (en el ultravioleta extremo, EUV, o incluso en los rayos X) con polarización controlada. El proceso altamente no lineal de generación de armónicos de orden elevado nos ofrece una oportunidad extraordinaria para generar haces de luz de alta frecuencia altamente coherentes. Hasta hace poco, mediante este proceso solo se generaban pulsos EUV con polarización lineal, pero recientemente se han conseguido generar haces con cualquier tipo de polarización [1], desde lineal a circular, o incluso haces vectoriales, que muestran una variación de la polarización a lo largo de su sección transversal. En todos estos trabajos la oscilación del campo eléctrico (o dirección de la polarización) a lo largo del tiempo está contenida en un plano. En este trabajo iremos un paso más allá, y exploraremos configuraciones de generación de armónicos donde la dirección de la polarización varíe en las tres dimensiones, es decir, en las cuales la componente longitudinal del campo eléctrico tenga una relevancia importante. Esto ocurre en determinados haces vectoriales [2], y nos abrirá la oportunidad a explorar la generación de haces de luz quiral [3] en el régimen del ultravioleta extremo.

Se trata por tanto de un trabajo de simulación teórica, donde el alumno tendrá que aplicar conceptos básicos de óptica, interacción láser-materia y pulsos ultracortos que irá adquiriendo a lo largo del curso, pero cuya comprensión no impedirá que el trabajo pueda comenzar al principio del mismo (altamente recomendable). El alumno podrá usar cualquier lenguaje de programación avanzada (C, Fortran, o Python) aunque también se podrán utilizar otros lenguajes Matlab o Mathematica.

Referencias bibliográficas:

[1] Pei-Chi Huang, et al. “Realization of Polarization Control in High-order Harmonic Generation”, Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 25, 8800312 (2019) https://ieeexplore.ieee.org/document/8725563

[2] J. Wätzel and J. Berakdar, “Multipolar, polarization-shaped high-order harmonic generation by intense vector beams”, Phys. Rev. A 101, 043409 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.043409

[3] D. Ayuso, D. et al. Synthetic chiral light for efficient control of chiral light-matter interaction. Nature Photonics 13, 866–871 (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0531-2

Tutor/a: Enrique Conejero y Julio San Román

Estudiante: Ana Vaquero

Descripción: Este proyecto consistirá en el desarrollo de un código de simulación de la propagación no lineal de un pulso láser ultracorto a través de un fibra de cristal fotónico. Estas fibras presentan unas propiedades de propagación (dispersión) muy interesantes y flexibles, que junto con su despreciable atenuación y la alta no linealidad por el alto confinamiento espacial de la luz, las hacen dispositivos muy útiles para estudiar efectos no lineales. El estudiante realizará las pruebas necesarias para demostrar que el código funciona correctamente para después realizar un estudio detallado de la capacidad de control que se tiene en este tipo de propagaciones a través de la fase inicial del pulso.

El trabajo es teórico, de simulación. En principio se puede realizar bajo algún software comercial (como Matlab) o usando algún lenguaje estándar de propagación (principalmente C).

Tutor/a: Benjamín Alonso

Estudiante:

Descripción: La técnica dispersion-scan o d-scan (barrido de dispersión) consiste en recuperar la información temporal y espectral de un pulso ultracorto a partir de una traza bidimensional [1]. La mayoría de los algoritmos que se han utilizado para ello están basados en optimización no lineal multiparamétrica. Estos algoritmos se han utilizado recientemente para obtener la dispersión del compresor utilizado, además del propio pulso [2]. Por otro lado, se han desarrollado algoritmos iterativos rápidos basados en proyecciones [3].

En este TFM el alumno se tendrá que familiarizar con la técnica y la bibliografía relacionada. El objetivo principal del trabajo será la implementación de un algoritmo rápido de proyecciones y que a la vez sea capaz de calibrar la dispersión del compresor, aunando las bondades de [2] y [3], estudiando las limitaciones de estas técnicas. El estudiante tendrá que ser capaz de reconstruir trazas simuladas en distintos escenarios. Simulará el efecto del ruido experimental sobre el resultado y probará su algoritmo con medidas experimentales.
Requiere de los conocimientos de pulsos ultracortos impartidos en el Máster y de conocimientos de programación, por ejemplo, en Matlab.
 

Referencias:

[1] Miguel Miranda, Cord L. Arnold, Thomas Fordell, Francisco Silva, Benjamín Alonso, Rosa Weigand, Anne L’Huillier, and Helder Crespo, «Characterization of broadband few-cycle laser pulses with the d-scan technique,» Opt. Express 20, 18732-18743 (2012).

[2] Benjamín Alonso, Íñigo J. Sola and Helder Crespo, «Self-calibrating d-scan: measuring ultrashort laser pulses on-target using an arbitrary pulse compressor,» Scientific Reports 8, 3264 (2018).

[3] Miguel Miranda, João Penedones, Chen Guo, Anne Harth, Maïté Louisy, Lana Neoričić, Anne L’Huillier, and Cord L. Arnold, «Fast iterative retrieval algorithm for ultrashort pulse characterization using dispersion scans,» J. Opt. Soc. Am. B 34, 190-197 (2017).

Tutor/a: Carolina Romero y Javier Rodríguez

Estudiante:

Descripción: Uno de los principales problemas en la fabricación de dispositivos fotónicos tridimensionales, mediante inscripción directa con láseres de femtosegundo, radica en el hecho de que a distintas profundidades del material se requieren diferentes energías para la inscripción. Se ha observado que la modificación inducida por el láser es diferente tanto en magnitud como en dimensiones. Este hecho provoca, en el caso particular de las guías de onda, una diferente sección transversal y una variación de las propiedades ópticas a medida que la luz se propaga en las mismas.

En este trabajo se avanzará en la escritura de estructuras tridimensionales en diversos materiales, se propone además integrar el control de la energía con el desplazamiento vertical de la muestra en el proceso de escritura, de manera que, a cada profundidad corresponda una energía de irradiación diferente. Además del desarrollo de este controlador se han de realizar pruebas de irradiación, con el fin de establecer previamente una relación entre profundidad y energía.

Se trata, por tanto, de un trabajo con claro carácter experimental. Se propone realizar un programa en Labview que integre el control de la energía y del desplazamiento de la muestra. Tanto ese desarrollo como el trabajo en el laboratorio se realizarán principalmente en el primer cuatrimestre.

Se requiere cierta habilidad manual para poder manipular muestras de reducido tamaño.

Tutor/a: Enrique Conejero y Javier Rodríguez

Estudiante:

Descripción: En este trabajo proponemos estudiar numéricamente la propagación de pulsos ultracortos (de pocos ciclos) en medios con susceptibilidad no lineal de segundo orden, resolviendo las ecuaciones de Maxwell con la técnica FDTD. Los materiales microscópicamente no centro-simétricos presentan susceptibilidad de segundo orden, que es el origen de procesos como la generación de segundo armónico o la generación de frecuencia suma. En el trabajo se implementará la técnica FDTD adaptada a un modelo de material realista que permita introducir la no linealidad y analizar su efecto en la propagación del pulso tanto en medios homogéneos como micro-estructurados.

Se requieren conocimientos de algún lenguaje de programación (preferentemente C, que se estudia en Métodos Computacionales) así como fundamentos básicos de teoría de la dispersión (Introducción a la Interacción Láser-Materia)

Referencias:

[1] Joseph, A. Taflove, “FDTD Maxwell’s equations models for nonlinear electrodynamics and optics”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 45, 364 (1997)

Tutor/a: Luca Volpe y Jose Antonio Pérez Hernández

Estudiante:

Descripción: El objetivo de este trabajo es estudiar el mecanismo de aceleración de un haz de iones generados mediante la interacción de un láser ultra-intenso con materia. El laser de Petavatio, VEGA, ubicado en el Centro de Láseres Pulsados (CLPU), genera pulsos de 30 J comprimidos en 30 fs a una tasa de repetición de 1Hz. Bajo estas condiciones, focalizando el láser VEGA adecuadamente se pueden alcanzar intensidades pico de 1020-21 W/cm2 pudiendo generase haces de protones de varias decenas de MeV. Este mecanismo de aceleración puede ser estudiado en el contexto de la interacción laser-plasma debido a su caracter altamente no lineal.

El estudiante será integrado en una campaña experimental que se desarrollará en el CLPU posiblemente entre Octubre y Noviembre de 2021 (aunque esta fecha podría variar). El trabajo a realizar por el estudiante estaría dividido en dos partes. Una primera parte en la que el alumno participaría en la campaña experimental en el CLPU (se intentará ser flexible teniendo en cuenta el horario del máster) donde el alumno se involucraría en el equipo experimental para conocer la naturaleza del experimento y las correspondientes técnicas del diagnóstico. Estaría supervisado en todo  momento por los tutores y alguna otra persona involucrada en el experimento.

La segunda parte del experimento consistirá en  el análisis de resultados experimentales por parte del alumno haciendo hincapié en los detectores de iones y electrones. El estudiante también participará en las discusiones relativas a los resultados experimentales  con el resto del equipo, centrándose principalmente en un diagnóstico particular donde será necesario usar el lenguaje de programación Python  para tratar los datos experimentales.

El análisis del espectro de protones  requerirá que el estudiante implemente un programa numérico para reconstruir las trayectorias de los protones en el campo magnético antes de que depositen la energía en el detector y/o usando códigos Monte-Carlo disponibles en el CLPU.

Siempre que sea posible el estudiante será involucrado en el trabajo en equipo del CLPU en conexión con diversas colaboraciones internacionales en el campo de la Física de interacción de láseres intensos con plasmas.

Es recomendable cursar las asignaturas de Interacción Láser-plasma y Física de Campos Intensos, del Máster, así como tener conocimientos de Física Atómica y Óptica Cuántica y no Lineal a nivel de licenciatura. También es aconsejable tener conocimientos de algún lenguaje de programación, Python,  MatLab, Fortran, Mathematica, ….

Gran parte de la bibliografía necesaria se encuentra escrita en Inglés, así que es necesario tener un nivel mínimo de Inglés, al menos a nivel de lectura.

Dada a la situación especial debido al Covid19 las fechas del experimento podrían variar. En cualquier caso se informaría al alumno. Por esta razón y ya que el trabajo contiene una parte experimental en el caso de que algún alumno se interese por este trabajo, se recomienda encarecidamente contactar lo antes posible con los tutores para planificar adecuadamente el desarrollo del mismo a lo largo del curso.

Documentación sobre el Máster

Reglamento de Trabajos de Fin de Máster de la Universidad de Salamanca.

Reglamento específico de Trabajos de Fin de Máster del Máster de Física y Tecnología de los Láseres en la Universidad de Salamanca.

Normas complementarias de estilo para el Trabajo de Fin de Máster.

Modelo de solicitud de defensa de Trabajo de Fin de Máster.

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