Research projects

This project will be realized in collaboration between two groups at the Jagiellonian University in Kraków and at the Jožef Stefan Institute in Ljubljana. It aims at the joint study of cutting-edge problems in superconductivity using modern optical magnetometry techniques. This ambitious research is enabled by the synergy and complementing knowledge of both teams.

We will use diamonds with nitrogen-vacancy colour centres, which are typically responsible for rose diamond colouring, as sensors for probing magnetic fields generated by the superconducting samples with a high-sensitivity and in a very detailed way. In particular, we will use with colour-centres’ spins inside nanodiamonds to achieve nanometric spatial resolution that will enable us to observe vortices in the superconductor. Our goal is to develop novel type of instrumentation that will foster versatile and robust optical magnetometry as an alternative approach for studies of condensed-matter systems at cryogenic temperatures.

Our scientific motivation stems from the existence of many fundamental open-questions in the physics of unconventional superconductors, that is recently discovered materials in which superconductivity cannot be explained by the well-established BCS and Bogoliubov theories. For example, we will study properties of, so-called, topological superconductors (like β-PdBi₂) and quasi-1D superconductors (A₂Mo₃As₃, here A is an alkali metal). We are interested in imaging the presence of vortices and observing their so-called pinning and transitioning to a dynamic behaviour. In this way, we will determine vortex matter excitation spectrum and it will allow us to address the major open question on the origin of the Cooper pairing mechanisms in such unconventional superconductors. Finally, we anticipate this project will also shed some light onto the possibilities for practical applications of unconventional superconductors.

2016-2018 projekt EU ERA.Net RUS Plus S&T

Highly sensitive diamond and carborundum nano-sensors

and bio-markers with NIR optical addressability

Celem projektu są badania doświadczalne zmierzające do rozwoju:

   1 ) metod mikrofalowej i optycznej spektroskopii centrów barwnych

   2 ) hybrydowych czujników wykorzystujących mikrostrukturalne włókna optyczne

   3 ) sposobów charakteryzacji nanokrystalitów diamentowych otrzymywanych metodą PE MW CVD

 W badaniach zmierzających do rozwoju nowych metod obrazowania biomedycznego stosujemy próbki diamentowe oraz diamentopodobne zawierające paramagnetyczne centra barwne. Odpowiednie promieniowanie optyczne wzbudza te centra  i kreuje w nich polaryzację spinową, która jest następnie badana metodami spektroskopii mikrofalowej (ESR) i optycznej.

Dodatkowych informacji udziela prof. dr hab. Wojciech Gawlik

2016-2018 projekt EU ERA.Net RUS Plus S&T

Highly sensitive diamond and carborundum nano-sensors

and bio-markers with NIR optical addressability

      The project’s aims at development of:

      1 ) novel methods of microwave and optical spectroscopy of colour centers in diamond

      2 ) hybrid photonic sensors based on microstructured optical fibres

      3 ) characterization of diamond nanocrystals obtained with the PE MW CVD method

In our project which aims at development of novel methods of bio-medical imaging we work with diamond and diamond-like samples containing paramagnetic colour centres. Appropriate optical radiation excites      the samples and creates their spin polarization, which is investigated by microwave and optical spectroscopy.

For additional information please contact with prof. Wojciech Gawlik

Głównym celem projektu było wprowadzenie do konserwacji tkanin nowoczesnej i nieniszczącej metody detekcji ich zagrożeń fizyczno-mechanicznych wykorzystującej czujniki światłowodowe z tak zwanymi siatkami Bragga (SSB).
Powstały system pomiarowy pozwala w sposób bezpośredni, precyzyjny i lokalny śledzić odkształcenia i deformacje zabytkowych tkanin i podobrazi w rzeczywistych warunkach ekspozycji, przechowywania i transportu. Co ważne, sposób  integracji samej głowicy czujnika z obiektem, w większości przypadków, nie prowadzi do jakichkolwiek uszkodzeń obiektu ani w czasie jej montażu/demontażu ani w trakcie pomiarów, a także pozwala na wielokrotne użycie samej głowicy. Ponadto, system ten został zintegrowany z ogólnym systemem monitorowania środowiska jaki działa w muzeum. Umożliwia to obrazowanie wyników, analizę rejestrowanego sygnału w czasie rzeczywistym i powiązanie ewentualnych zagrożeń z czynnikami klimatycznymi.
Przeprowadzone w ramach projektu badania pozwoliły na uzyskanie nowatorskich w skali światowej wyników, w szczególności osiągnięto następujące istotne efekty:

• opracowano i wprowadzono do diagnostyki zagrożeń tekstylnych obiektów zabytkowych i podobrazi płóciennych nową metodę ilościowego i lokalnego pomiaru odkształceń, deformacji i uszkodzeń


• powstała nowa wiedza, która już niedługo (publikacje wysłane do redakcji i w przygotowaniu) będzie przedmiotem publikacji w najlepszych czasopismach w dziedzinie badań nad konserwacją zabytków Studies in Conservation, pismach o ugruntowanej pozycji z dziedziny technologii pomiaru oraz prezentacji na międzynarodowych konferencjach z dziedzin fizyki, chemii i konserwacji


• wyznaczone zostały ilościowe kryteria oceny różnych metod prewencji konserwatorskiej i ekspozycji tkanin


• wyniki projektu otworzyły perspektywę lepszej opieki nad zabytkami poprzez podniesienie świadomości zagrożeń u opiekunów zabytków i konserwatorów


• ilościowe określenie wartości bezpiecznych wahań wilgotności względnej otwarło perspektywę optymalizacji zarządzania kontrolą klimatu w muzeach a tym samym oszczędności energii i zmniejszenia emisji dwutlenku węgla


• wskazanie silnej zależności między zawartością lotnych substancji organicznych, będących produktem degradacji jedwabiu a prędkością degradacji, postawiło kilka znaków zapytania nad zasadnością wykorzystania atmosfery beztlenowej do ochrony jedwabnych obiektów

Understanding laws of physics, governing the world at a microscopic level, is one of the main drives of modern
science and stimuli for develpment of quantum cryptography, computation, and engineering. Two crucial
ingredients of most of quantum-information systems are the information carrier and the processor. Due to its
robustness to environmental perturbation, photon is often considered as the carrier, but an optimal system for
the processor is yet to be identified. One of the potential platform for that are atoms, so that light-“atom”
interaction is a promising framework for quantum-information applications.

Most of the systems hitherto developed for quantum-computation purposes has been complicated and bulky.
This originates from the necessity of detecting and manipulating single quantum objects. Application of
volumetric systems with a large number of parties has been also considered. A particular example of such a
system are hot and cold atomic vapors. While ultra-cold atoms have been explored for the application, this
medium does not solve the above-mentioned problem. The alternative are room-temperature atomic vapors,
which are easy to handle and deal with. The problem of limited lifetime of quantum states in such media can
be also overcome. Despite those advantages, however, an open question regarding the system is:
Are hot atomic vapors "quantum enough" to be useful in quantum-computation applications?
The main concern is to what extent the systems containing 10^9 atoms can be treated as a single quantummechanical
object. Fundamentally, it cannot, as, for example, absorption of a single photon, rather than
causing change of a single-atom internal state, generates entangled state of all the particles in the medium.
Still, can tehy mimic such systems in a limitted way? There are other pressing questions regarding the vapor,
for example:

What is the role of inhomogeneous broadening and how far it compromises the “quantumness” of the medium?
We will first tackle the question theoretically. By comparison between Landau’s single-particle density matrix
and von Neumann’s collective density matrix, we will investigate the deviations of the two approaches, starting
from low-number systems and successively enlarging them. With Monte-Carlo simulations, we will also
investigate the role of the inhomogeneous broadening in the quantum-dynamics of the system.
Simultaneously, with the theoretical investigations, we will construct the experimental setup for quantum-state
tomography of a hot atomic vapor. The system will be based on light-atom interaction, where light will be used
to prepare and monitor the quantum state of the system. The tomography will be done using weak continuous
measurements (negligible back action). The polarization state of off-resonance probe light will provide
information about optical properties of the medium and hence specific elements of the collective density matrix.
To provide access to other elements, magnetic field, mixing the elements together, will be applied at the
detection stage. In such a way, the full density matrix will be reconstructed. Completion of the task will require
development of a theoretical treatment relating all density-matrix element of multilevel-structure with physical
observables.

Development of the reliable tomography technique will allow us to perform research on quantum manipulation.
The system will be manipulated using static and oscillating magnetic fields. The fields will be appropriately
tuned, timed, and oriented to controllably change the state of the system. In particular, we will demonstrate the
ability to negate the system or perform Hadamard-gate operation. Next, we will explore more complicated
operations, by selectively coupling ground-state magnetic sublevels, to fully demonstrate the capabilities of the
system. Finally, we will demonstrate transfer of a quantum state between two hyperfine states.
The envisioned studies will also allow us to study the spin dynamics of the system. By implementing pulsed
optical pumping, special multipass cells, and dedicated data-processing algorithms, we will construct a
magnetometer free from systematic errors, offering good temporal resolution.

Realization of the project will provide theoretical and experimental tools enabling manipulation and tomography
of a collective quantum state of hot atomic vapor and showto which extent the systems can be used in quantum-information purposes.