Další z profilů výzkumných pracovišť Akademie věd České republiky věnujeme Fyzikálnímu ústavu AV, který patří mezi zakládající ústavy této ctihodné vědecké instituce.
Fyzikální ústav byl vždy důležitým centrem mezinárodní spolupráce a dnes je několik jeho laboratoří uzlovými body v programech Evropského společenství. Další laboratoře se podílejí na mezinárodních grantových programech a na práci mezinárodních výzkumných středisek po celém světě. Základními pilíři Fyzikálního ústavu AV ČR je pět sekcí – sekce fyziky pevných látek, sekce fyziky kondenzovaných látek, sekce fyziky elementárních částic, sekce optiky a sekce výkonových systémů. Na rozdíl od některých jiných ústavů Akademie věd ČR se Fyzikální ústav věnuje především základnímu výzkumu, který je od aplikačního výzkumu a následného komerčního či jiného praktického využití poměrně vzdálen.
Sekce fyziky pevných látek
Základem je základní výzkum
Největší a nejstarší částí Fyzikálního ústavu AV ČR je Sekce fyziky pevných látek. Pochopení struktury na atomární úrovni spolu s teorií elektronových stavů v pevných látkách vytvořily základ pro výzkum širokého spektra materiálů – od iontových krystalů, kovů a polovodičů až po magnetické kysličníkové materiály a supravodiče. Tato sekce má dlouholeté zkušenosti v experimentálním výzkumu při extrémních teplotách a tlacích, které pomohly Československu stát se šestou zemí na světě produkující umělé diamanty. Pokrok v pěstování diamantu z plynné fáze za pomoci plazmatu umožnil v roce 2002 instalaci nejnovější technologie tohoto typu a v současné době je diamant znovu intenzívně studován jako materiál pro elektroniku budoucnosti či biosenzory.
Proč umělé diamanty?
Levnější, umělé diamanty mohou výrazně ovlivnit řadu technických odvětví. Počítačový průmysl již dnes pomýšlí na novou generaci diamantových čipů, u nichž by základem byla tenká vrstva tvořená diamantem. Takový čip by byl mnohem odolnější vůči vysokým teplotám i dalším vnějším vlivům. S použitím diamantových čipů se počítá např. v jaderném nebo kosmickém průmyslu, ale i v medicíně.
Sekce fyziky kondenzovaných látek
Od vodičů až po supravodiče
Výzkumná činnost této sekce v oblasti teorie kondenzovaných systémů se týká zejména výpočtů a modelování elektronových vlastností kovů a polovodičů, jejich slitin, povrchů a rozhraní. V posledních letech se výzkum zaměřil především na zkoumání látek s porušenou krystalickou strukturou a supravodivé systémy, jako jsou například magnetické senzory a permanentní supravodivé magnety.
Supravodiče v praxi
Jednou z oblastí bádání, na kterých se tato sekce podílí, je výzkum magnetických vlastností a magnetizačních procesů v supravodičích. Díky těmto procesům se mohou vznášet – levitovat různé objekty. Pravděpodobně nejznámějším příkladem magnetické levitace je vlak pohybující se na magnetickém polštáři. V Japonsku takový vlak dosáhl na testovací trati rekordní rychlosti 560 km/h. Jeho klasické supravodivé cívky však musí být chlazeny drahým kapalným héliem, což výrazně prodražuje jeho provoz. Pracovníci českého Fyzikálního ústavu se ve spolupráci s japonskými kolegy podílejí na vývoji špičkových vysokoteplotních supravodičů pro permanentní supravodivé magnety využitelné v nízkoztrátových supravodivých motorech, ložiscích, ve zdrojích magnetického pole pro separátory nečistot (pro čištění odpadních a průmyslových vod), pro čerpadla kapalných plynů ve zdravotnictví a také v raketách. V Číně je provozována testovací trať pro magneticky levitující vlak, který využívá vysokoteplotních supravodičů a jako chladivo zde dostačuje mnohem levnější kapalný dusík a v Šanghaji byla nedávno otevřena trať pro veřejnost s levitujícím vlakem.
Sekce fyziky elementárních částic
Lovci kosmického záření
Hlavní náplní této sekce je výzkum v oblasti částicové – tzv. subjaderné fyziky. V současné době se tato sekce podílí na třech velkých experimentech: H1 v Německé národní laboratoři DESY (Hamburg, Německo), D0 ve Fermiho národní laboratoři (Chicago, USA) a ATLAS v Evropsském středisku fyziky látek CERN (Ženeva, Švýcarsko). V prvních dvou případech spolupracuje tato sekce na provozu a údržbě detektoru a fyzikální analýze dat v rámci těchto pracovišť. Sekce fyziky elementárních částic se zaměřuje i na počítačovou simulaci spršek kosmického záření a na fyzikální analýzu získaných dat.
Mezinárodní observatoř Pierra Augera
Pravděpodobně největším a nejznámějším projektem, na kterém se podílí sekce fyziky elementárních částic, je projekt mezinárodní observatoře Pierra Augera, jejímž primárním cílem je řešení záhady kosmického záření extrémních energií. Observatoř bude měřit parametry spršek kosmického záření vznikajících po srážkách s molekulami v horních vrstvách atmosféry. Analýzou těchto parametrů bude možné určit energii, směr dopadu a typ původní částice primárního kosmického záření s nejvyššími energiemi. Augerova observatoř bude tvořena dvěma základnami – na severní polokouli bude observatoř zbudována v Utahu nebo v Colorádu v USA, na polokouli jižní pak v oblasti Malargüe v provincii Mendoza v Argentině. Díky rotaci Země bude z těchto dvou základen pozorovatelná úplně celá obloha. Jako první je v letech 2001 – 2005 budována jižní základna v Argentině a teprve po jejím dokončení bude započata stavba základny severní. Jižní základna bude tvořena sítí 1600 detektorů, přičemž jednotlivé detektory budou od sebe vzdáleny 1,5 km a celkově tak pokryjí plochu 3000 km čtverečních. Síť pozemních detektorů bude doplněna ještě o soustavu 24 vysoce citlivých teleskopů, které budou za jasných bezměsíčných nocí sledovat slabé modré světlo, které vzniká jako vedlejší produkt při tvorbě částic spršky vyvolané kosmických zářením. Rozestavěná jižní základna je již schopna sbírat vědecká data – v současné době je zde umístěno 400 pozemních detektorů, které doplňuje 12 fluorescenčních teleskopů. Od října 2003, kdy předstihla velikostí japonské zařízení AGASA, je tak Augerova observatoř největším detektorem kosmického záření na světě a dokonce i nejrozlehlejším vědeckým zařízením vůbec. Projektu se účastní přibližně 350 vědců z více než 40 institucí z 15 zemí světa.
Sekce výkonových systémů
Lasery pro vědu i praxi
Tato sekce se zabývá výzkumem v oblasti laserového záření a má v současnosti několik laserových programů. Na tomto výzkumném pracovišti se jedná především o vývoj a využití výkonových pulsních laserů, a to zejména laserů generující světelné impulsy kratší než jednu nanosekundu a s výkonem přesahujícím terawattovou úroveň. Pro srovnání, jeden terawatt představuje bilion wattů, což je srovnatelné s výkonem pěti set temelínských jaderných elektráren, který je však dodáván nepřetržitě. Tyto lasery jsou jedním z nejúčinnějších experimentálních nástrojů ve fyzice plazmatu a nejen tam. Jejich zaostřené paprsky jsou totiž schopny přeměnit na plazma – čtvrté skupenství hmoty – jakoukoliv látku, umístěnou v ohnisku optické soustavy. Velmi horkého a hustého laserového plazmatu může být využito jako zdroje různých druhů záření či nabitých částic pro výzkum nejen ve fyzice, ale i v celé řadě dalších vědeckých a technických oborů. K celosvětově nejnáročnějším cílům v této oblasti patří vytvoření laserového plazmatu o takové teplotě, aby se mohlo stát zdrojem energie v budoucích laserových termojaderných reaktorech.
K čemu jsou zde vyvíjené lasery dobré?
V laboratořích sekce výkonových systémů je v současné době vyvíjen i nový typ velmi účinného chemického laseru, který je schopen poskytovat výkony v řádu kilowatů v prakticky nepřetržitém režimu. Nejedná se sice o výkonový laser v pravém smyslu slova, ale o laser, určený pro speciální technologické využití v průmyslu. Jeho budoucí mobilní a automatizovaná verze by např. mohla asistovat při likvidaci „horkých“ částí doslouživších jaderných reaktorů.
Sekce optiky
Z České republiky do celého světa
Tato sekce Fyzikálního ústavu AV, se věnuje badatelské činnosti v oblasti kvantové, koherentní (spojité) a statistické optiky, vlnové optice a holografii, optickým a laserovým technologiím a v neposlední řadě stavbě unikátních přístrojů a zařízení, jako jsou např. různé typy monochromátorů – tj. přístrojů, které slouží k izolování velmi úzkého oboru vlnových délek ze spektra , tzv. monochromatického světla, jemuž prakticky přísluší jediná vlnová délka.
Česká optika v praxi
Mimo jiné se Sekce optiky v rámci systematické spolupráce se Sekcí fyziky elementárních částic podílí na návrhu a realizaci unikátních fluorescenčních detektorů kosmického záření v rámci mezinárodního projektu observatoře Pierra Augera Šest z dosavadních dvanácti fluorescenčních teleskopů vyrobili a v Argentině instalovali čeští fyzikové. Pro jižní část observatoře jich Češi vyrobí polovinu, tedy 12 z celkového počtu 24 kusů. Zrcadla teleskopů se vyrábějí ve Společné laboratoři optiky Fyzikálního ústavu a University Palackého v Olomouci.
Umělý diamant: vítězství nad přírodou?
První pokusy o výrobu umělého diamatu se datují již v roce 1892, kdy francouzský chemik Henri Moissan vystavil uhlík vysokému tlaku a současně jej zahříval v elektrické peci až na 3500 °C. Za nějaký čas skutečně vykrystalizovaly drobounké diamanty, což vzbudilo nejen mezi chemiky, ale také mezi obchodníky nebývalý zájem. Technické možnosti v té době však neumožňovaly průmyslové využití této nové metody a tak na první skutečně průmyslově vyrobené diamanty si lidstvo muselo ještě více než padesát let počkat. K tomu, aby atomy uhlíku vytvořily ve vznikajícím krystalu správnou strukturu, která dodává diamantu jeho pevnost, musí se zahřívat na teplotu 1000 – 1500 °C, a to při tlaku 53 000 až 100 000 barů. Průmyslovou výrobu diamantů zahájila přesně před padesáti lety, tj. v roce 1954, americká společnost General Electric. Diamant, který je tvrdší než běžný přírodní i umělý diamant, připravili nedávno vědci v geofyzikální laboratoři washingtonského Garnegieho ústavu, a to metodou nazvanou Chemical Vapour Deposition. Směs vodíku a methanu byla ostřelována nabitými částicemi nebo na ni působila plasma. Atomy vodíku vytržené ze sloučeniny pak krystalizovaly na podložce. Takto vytvořené diamanty byly zahřívány na 2000 stupňů Celsia a působil na ně tlak o síle až 70 atmosfér. Mimořádná tvrdost takto vyrobeného diamantu je pravděpodobně způsobena minimalizací množství poruch krystalové mřížky, které zpravidla snižují pevnost jakýchkoli struktur.
