Novinky z AV a FZÚ

Lukáš Ondič: Ocenění Lumina je pět let klidu na výzkum

Novinky: Fyzikální ústav - Út, 11/05/2019 - 17:05

Lukáš Ondič převzal 5. 11. 2019 Prémii Lumina quaeruntur udělovanou Akademii věd. Ve Fyzikálním ústavu založí díky prémii vlastní vědecký tým, který se bude věnovat studiu nových nanofotonických platforem na bázi diamantu vhodných pro kvantovou fotoniku a senzoriku. Zeptali jsme se na jeho plány.

Lukáš Ondič přebírá prémii z rukou předsedkyně Akademie věd ČR Evy Zažímalové.

Získal jste významné ocenění Akademie. Co pro vás konkrétně znamená?

Získaní oceneni Lumina je pro mne veliká čest a moc si takto vyjádřené důvěry Akademie věd vážím. Zároveň to beru jako veliký závazek a zodpovědnost vytvořit něco nového a přispět k poznání v kvantové fotonice. Největší plus spatřuji v tom, že díky slušnému rozpočtu na dobu až pěti let budeme mít klid a nebudeme pod tlakem generovat výstupy na kvantitu, ale budeme se mít čas zaměřit na kvalitu výstupu a výzkum samotný.

Projekt mi umožní vytvořit tým lidí, kteří se budou věnovat problémům a výzvám kvantové fotoniky. Těch je samozřejmě hodně a všem jim prozatím nerozumím, ale vybral jsem si několik konkrétních nejasností, na které jsem schopen využít mé dosavadní znalosti a pokrýt je vybavením optických laboratoří ve FZU.

Prémie vám umožní postavit nový vědecký tým. Jakým směrem se chcete ubírat při studiu kvantové fotoniky?

Hlavním cílem projektu je pochopit a popsat fyzikální procesy zodpovědné za emisi světla z tzv. diamantových optických center. Optická centra jsou zdroje jednotlivých fotonů s vlastnostmi vhodnými pro vyžití v kvantové fotonice. V kvantové fotonice je informace o kvantovém stavu systémů zabudovaná do jednotlivých fotonů, například do polarizace světla.

V rámci projektu se mimojiné pokusíme vytvořit fotonickou diamantovou platformu, která bude kombinovat tyto optická centra s účinným elementem pro jejich efektivní manipulaci. Manipulaci ve smyslu jejich nastavení do požadovaného kvantového stavu. V současné době se na tuto manipulaci využívají externí zdroje, tzn. velké samostatně stojící lasery, což není efektivní. My v rámci projektu máme v plánu vytvořit novou platformu, která bude obsahovat laser i zdroj fotonů na jednom chipu, která umožní realizovat diamantovou kvantovou fotoniku a senzoriku.


RNDr. Lukáš Ondič působí v Oddělení tenkých vrstev a nanostruktur Fyzikálního ústavu. V rámci doktorského studia přišel s převratným postupem, který až osminásobně vylepšuje extrakci světla z diamantové vrstvy a současně umožňuje nasměrovat světlo v požadovaném směru. V roce 2017 získal prémii Otto Wichterleho pro mladé vědce.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Vědci získávají data z CERNu rychlostí 100 Gbps

Novinky: Fyzikální ústav - Čt, 10/31/2019 - 17:41

Fyzikální ústav Akademie věd ČR zvýšil rychlost svého připojení do sítě LHCONE na 100 Gbps a usnadnil tak svým vědcům zpracovávání obrovského množství dat produkovaných největším urychlovačem částic na světě. V mezinárodní laboratoři CERN jsou čeští vědci zapojeni do dvou ze čtyř velkých experimentů prováděných v LHC: ALICE a ATLAS.

"Bez vysokorychlostního připojení bychom naše servery nemohli v LHC gridu provozovat, proto jsou spolehlivé síťové služby poskytované sdružením CESNET nezbytným základem pro naši účast na zpracování dat z LHC," dodává Jiří Chudoba, vedoucí Výpočetního střediska Fyzikálního ústavu (FZU).

Pro experimenty disponuje Fyzikální ústav 3 PB úložného prostoru a 5000 výpočetními jádry. Síťové připojení ústavu, zajišťované e-infrastrukturou CESNET, je pro vědecké účely dále směrováno jak do celosvětové sítě LHCONE, tak do evropské výzkumné infrastruktury GÉANT.

V letošním a příštím roce probíhá modernizace urychlovače LHC včetně detektorů, a přestože nyní nevznikají nová data, dochází neustále ke zpracování již zaznamenaných srážek částic. Současné povýšení kapacity síťového připojení umožní efektivní a bezproblémové přenosy dat a optimální využití úložných a výpočetních kapacit i během dalšího běhu urychlovače (tzv. Run 3), se kterým se počítá na léta 2021 až 2023.

„Poskytování špičkové e-infrastruktury a kvalitních služeb pro vědecké projekty, na kterých se podílejí čeští odborníci, je naší dlouholetou prioritou. Jsme rádi, že jsme přispěli k vytvoření vhodného prostředí pro zpracovávání ohromného množství dat pocházejících z významného evropského projektu LHC ve švýcarském CERNu,“ uvedl Jan Gruntorád, ředitel sdružení CESNET.

Dosavadní připojení FZÚ rychlostí 4 x 10 Gbps bylo pro práci s velkými daty nedostatečné.


Sdružení CESNET bylo založeno v roce 1996 vysokými školami a Akademií věd ČR. Zabývá se výzkumem a vývojem informačních a komunikačních technologií, buduje a rozvíjí národní e-infrastrukturu CESNET určenou pro výzkum a vzdělávání. Díky svým výzkumným aktivitám a dosaženým výsledkům reprezentuje Českou republiku v důležitých mezinárodních projektech, zejména v budování panevropské sítě GÉANT či gridových projektech (EGI.eu), a podílí se aktivně na jejich realizaci. Sdružení pracuje i na využití vysokorychlostních sítí pro sdílení multimediálních dat, a to jak synchronně formou videokonferencí a sdílených aplikací, tak asynchronně formou streamingu.
Více na: www.cesnet.cz

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Co skrývá jáchymovské podzemí? Unikátní minerální poklady odhalí publikace nakladatelství Academia

Novinky: Fyzikální ústav - Út, 10/29/2019 - 17:12

Minerální bohatství jáchymovského ložiska je známo již téměř pět století, od dob významného německého učence Georgia Agricoly. Přesto se týmu vědců v čele s Jakubem Plášilem během posledních let podařilo objevit a popsat více než desítku dosud neznámých minerálů, zejména obsahujících uran. Nejen jim je věnována souborná publikace Jáchymov – mineralogická perla Krušnohoří, u jejíhož vzniku stáli spolu s Plášilem i Pavel Škácha a Vladimír Horák.

„Autoři zúročili desetiletí geologického, mineralogického a krystalografického výzkumu světově proslulé lokality, aby podali veřejnosti přístupnou, ale vědecky exaktní formou svědectví o minerální pestrosti zdejšího, rozsahem nevelkého ložiska, jehož těžba několikrát ovlivnila běh světových dějin,“ chválí trojici Michal Dušek, vedoucí Sekce fyziky pevných látek Fyzikálního ústavu AV ČR, kde působí i Jakub Plášil.

Úvodní část publikace, vydané nakladatelstvím Academia, přehledně zachycuje proměnu zájmu o jáchymovské nerostné suroviny v průběhu staletí. Hornické město zažilo etapu těžby stříbra, arsenu, kobaltu i uraninitu, nejprve používaného na barvení skla, později na získávání radia pro medicinální účely a po druhé světové válce na výrobu katomové bomby.

Těžba surovin v Krušnohoří je od počátků spojena s mnoha technickými inovacemi a vynálezy. Až do devatenáctého století se v některých dolech užívalo mihadlo, čerpací stroj na důlní vodu, zkonstruovaný v roce 1551. Jáchymov měl zkraje dvacátého století světový monopol na produkci radia, které poprvé z uranové rudy smolince izolovala spolu s manželem Marie Curie-Skłodowská. V Jáchymově také vzniklo první státní hornické učiliště na světě a také první radonové lázně.

Z Jáchymova rovněž pocházel uran použitý v první sovětské atomové bombě, která byla odpálena v roce 1949 na cvičné střelnici u Semipalatinsku. O strategickém významu dobývání uranové rudy pro Sovětský svaz svědčí tajná dohoda mezi vládou Svazu Sovětských Socialistických Republik a vládou Československé republiky z 23. listopadu 1945 i krok ministerského předsedy Antonína Zápotockého, který její správu v roce 1952 podřídil přímo vládě. Těžba uranu byla vykoupena lidskými oběťmi a utrpením v podobě nucené práce politických vězňů internovaných v koncentračních táborech v blízkosti dolů.

Výsledek mnohaletého výzkumu autorského kolektivu v dalších částech publikace prezentuje podrobný popis primárních a sekundárních minerálů z jáchymovského ložiska. Komplexní přehled mineralogie a minerálního bohatství autoři rozšířili o fotografie z českých a zahraničních muzeí, reprodukce historických map i snímky uměleckých děl vytvořených z lokálních minerálů.


Jakub Plášil se věnuje mineralogické krystalografii ve Fyzikálním ústavu AV ČR a je spoluautorem popisu více než osmdesáti nových minerálních druhů z celého světa. Dlouhodobě se zabývá mineralogií uranu a také mineralogií a geochemií jáchymovského rudního revíru.

Jáchymov – mineralogická perla Krušnohoří
Nakladatelství Academia
ISBN 978-80-200-2931-7

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Příští stanice Fyzikální ústav. Urychlete nástup, dveře se otvírají

Novinky: Fyzikální ústav - Čt, 10/17/2019 - 08:24

Nepromarněte jedinečnou šanci prozkoumat, co se děje za dveřmi Fyzikálního ústavu v Ládví, Střešovicích a Dolních Břežanech. Přijďte se ve dnech 12.–16. listopadu 2019 podívat na nejsilnější laser na světě, pozorujte s námi atomy nebo navštivte laboratoře, kde vědci zkouší tvarovou paměť slitin. To vše během Dnů otevřených dveří Fyzikálního ústavu AV ČR (FZU).

Laserová centra FZU lákají na nevšední zážitky také prostřednictvím virtuální reality.

Jak se připravují nanovrstvy pro displeje a solární články, kde se vylepšují přístroje pro skenování kufrů na letišti a jak vypadají vzorky minerálů pod elektronovým mikroskopem? To vše se dozvíte v Ládví, kde je pro vás připraveno pět tematických okruhů špičkovými laboratořemi.

Do nanosvěta s elektronovým mikroskopem se můžete vydat i v areálu ve Střešovicích. Uvidíte detaily obyčejných předmětů, ale také obtížně pozorovatelné krystalky nanodiamantů. Zažijete pokusy s dusíkem a poučíte se, jak se zkoumá fyzika pevných látek. Pro veřejnost je určena sobotní prohlídka budov, postavených ve stylu art deco.

Pokusy s tekutým dusíkem patří mezi návštěvníky k nejoblíbenějším.

V Dolních Břežanech pro vás otevřeme experimentální haly laserových center ELI Beamlines a HiLASE, kde si ulovíte světelný meč pomocí tzv. difrakce světla, otestujete logické myšlení ve hře Laser Maze nebo uvidíte základní stavební prvky každého laseru přímo v akci.

Nezapomeňte si rezervovat místa, kapacita prohlídek je omezena! Vstup zdarma. Akce jsou součástí Týdne vědy a techniky Akademie věd ČR.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Transparentní keramika - požehnání pro společenství laserových vědců

Novinky: Fyzikální ústav - Út, 10/15/2019 - 12:07
ol.lr { counter-reset: list; } ol.lr > li { list-style: none; position: relative; left: 1em; } ol.lr > li:before { counter-increment: list; content: counter(list, lower-roman) ") "; position: absolute; left: -1.4em; } ol.cit { counter-reset: list; } ol.cit > li { list-style: none; position: relative; } ol.cit > li:before { counter-increment: list; content: "[" counter(list, decimal) "] "; position: absolute; left: -2.5em; } table.materials thead th { font-weight: bold; text-align: center; color: #fff; background-color: #2890c1; } table.materials tbody td { text-align: center; background-color: #d6e7f5; }

Tento článek vyšel v čísle 4/2019 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Autory jsou Samuel Paul David, Petr Navrátil, Martin Hanuš, Venkatesan Jambunathan, Martin Divoký, Antonio Lucianetti a Tomáš Mocek z laserového centra HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR.

Transparentní keramika se v laserové technice využívá jako matrice aktivních laserových prostředí vysokovýkonových laserů, kde se začala prosazovat od začátku milénia. Díky svým jedinečným vlastnostem je atraktivní alternativou monokrystalů a skel, kdy nachází využití v široké škále oborů a aplikací zahrnujících optiku, vojenství, medicínu, detektory záření a další.

Pevnolátkové lasery hrají důležitou roli na poli vědy i průmyslu, a to zejména díky jejich specifickým aplikačním možnostem. Relativně novým přírůstkem do oblasti pevnolátkových laserů je transparentní keramika, která zaujala „laserovou komunitu“ možností použití ve vysokovýkonových laserech, u nichž byly jako matrice aktivních prostředí až donedávna využívány monokrystaly nebo skla. Přestože se polykrystalickou keramiku podařilo využít jako aktivní prostředí laseru nedlouho po demonstraci prvního laseru, zůstával potenciál keramiky až do předvedení japonskými vědci v roce 1995 skryt. Transparentní keramika si našla užití v široké škále oborů a aplikací zahrnujících optiku, vojenství, medicínu, detektory záření a další, její tržní hodnota se má v roce 2024 podle předpokladů vyšplhat k hodnotě jedné miliardy amerických dolarů [1]. Keramika laserové kvality se svým specifickým potenciálem stává konkurencí monokrystalů při konstrukci vysoce účinných pevnolátkových laserů. Růst důležitosti transparentní keramiky je patrný i díky nedávné demonstraci laseru se středním výkonem 1 kW, realizované českými a britskými vědci s polykrystalickým médiem Yb:YAG [2]. Nepopíratelný přínos transparentní keramiky při vývoji laserů s vysokým výkonem a účinností je dobrým důvodem pro podrobnější představení této laserové matrice a převyprávění příběhu jejího vzniku.

Přehled pevnolátkových laserových médií

Jedním z největších objevů druhé poloviny 20. století je LASER, zařízení zesilující světlo pomocí stimulované emise záření. Ačkoliv Albert Einstein popsal koncept stimulované emise již v roce 1916, k první praktické realizaci zmíněného jevu došlo po více než čtyřiceti letech Thomasem Haroldem Maimanem 16. května 1960 v Hughesových výzkumných laboratořích v Kalifornii. Maiman použil syntetický krystal rubínu v podobě válcové tyče a fotografickou výbojku ve tvaru spirály, která byla obtočena kolem rubínové tyče [3]. Tato sestava byla vsunuta do válcového odražeče koncentrujícího světlo výbojky na rubínovou tyč a první laser byl na světě! Rubín je z hlediska chemického složení krystal Al2O3 dopovaný ionty chromu Cr3+ s elektronovou konfigurací 3d3. Ještě v tomtéž roce Sorokin a Stevenson z newyorské IBM demonstrovali laser založený na krystalu CaF2 s příměsí trojmocného uranu [4]. Později, v roce 1961, byl Alim Javanem a kolegy z Bellových laboratoří v New Jersey spuštěn první plynový He-Ne laser. Pevnolátkové lasery založené na nevodičích byly průběžně vytvářeny pomocí krystalických a skleněných matric. První keramický laser byl vytvořen v roce 1964, kdy se při kryogenních teplotách (77 K) na výstupu keramické matrice CaF2 dopované ionty Dy3+ objevily laserové oscilace. Důležitým příspěvkem materiálového výzkumu byl objev pěstování umělých granátů, díky němuž došlo k podstatnému zvýšení laserové účinnosti. Srovnatelným byl objev pěstování safíru dopovaného titanem, díky čemuž bylo k dispozici laserové prostředí se širokým spektrem zisku v oblasti mezi 660 a 1 180 nm. Porozumění spektrálním charakteristikám laserově aktivních iontů vedlo k vývoji mnoha krystalů a skel určených pro laserové aplikace.

Obr. 1: Keramická deska Yb:YAG ve tvaru válce s tloušťkou 0,5 cm vyrobená firmou Konoshima Chemicals. Spolu s dalšími třemi podobnými deskami vytváří aktivní laserové prostředí v hlavním zesilovači HZ1 laserového systému Bivoj.

Laserové krystaly jsou obecně pěstovány konvenčními technikami růstu z taveniny. Například krystaly safíru dopované Ti3+ se pěstují Kyropoulosovou metodou za použití molybdenového kelímku. Vzhledem k vysokým teplotám je pro zamezení oxidace uvnitř pěstebního aparátu udržována inertní atmosféra nebo vysoké vakuum [5]. Czochralského metoda je široce rozšířená technika pro pěstování monokrystalů granátů, jako je yttrito-hlinitý granát (YAG). Chemikálie se taví v iridiovém kelímku, přičemž pro růst vysoce kvalitních krystalů se používají zárodečné krystaly. Použitelná část krystalů je omezena nehomogenním rozložením aktivních iontů podél poloměru krystalu. Obecně platí, že ve vnitřní části krystalů je jiná koncentrace dopantů než na jejich povrchu. Pro růst laserových krystalů je možné použít i některé novější techniky, jako například techniku růstu z laserem zahřívané základny (Laser-heated pedestal growth, LHPG), techniku mikrotažení (micro-pulling down, μ-PD), techniku svrchně založeného růstu z roztoku (top seeded solution growth, TSSG) a další. Techniky LHPG a μ-PD se s výhodou používají k rychlému růstu materiálů s vysokým bodem tání, jakými jsou seskvioxidy a granáty při udržení příznivé ceny. Pro materiály s nekongruentní teplotou tání, jakými jsou dvojné wolframáty je vhodná technika TSSG [6]. Kromě zmíněné nehomogenity aktivních iontů snižují praktickou využitelnost všech technik pěstování krystalů potřeba drahého laboratorního vybavení a dlouhá doba růstu krystalů s velkými rozměry. Proto byly u vysokovýkonových pevnolátkových laserů upřednostňovány skleněné matrice, které jsou snadno vyrobitelné i v měřítku metrů. Naneštěstí má sklo malou tepelnou vodivost, díky níž tento materiál nemůže efektivně odvádět deponované teplo, což jej činí nevhodným pro využití v laserech s vysokým středním výkonem nebo velkou opakovací frekvencí. Nastolené dilema přimělo materiálové výzkumníky, aby se poohlédli po dalších možných materiálech, a není překvapením, že vybrali polykrystalickou keramiku.

Obr. 2: Časový vývoj výstupního výkonu laserů používajících keramický YAG.

Transparentní keramika pro lasery – historický přehled

Prvním známým keramickým předmětem je soška „Věstonické venuše“ objevené v archeologickém nalezišti poblíž Dolních Věstonic, jejíž stáří se odhaduje přibližně na 29 000 let. Keramika má polykrystalickou strukturu tvořenou krystalickými zrny oddělenými tenkým ohraničením. Kvůli přítomnosti center rozptylujících světlo, kterými bývají póry, hranice krystalických zrn, nečisté fáze, hrubé povrchy a další, taková keramika rozptyluje světlo a je tudíž neprůhledná. V půli 20. století se firmě General Electric za použití práškového oxidu hlinitého podařilo vyvinout průsvitnou keramiku, která od té doby nese jméno Lucalox. Díky odolnosti vůči tepelnému šoku a chemické stabilitě je Lucalox používán jako ochranný obal vysokotlakých sodíkových výbojek. První laser s aktivním prostředím tvořeným polykrystalickou keramikou Dy3+:CaF2 pracující při teplotě kapalného dusíku byl demonstrován jen několik let po Maimanově prvním laseru. V roce 1972 byla procesem spékání za přítomnosti sloučenin oxidů zirkonu, hafnia a thoria vyrobena polykrystalická keramika Nd3+:Y2O3 v transparentní podobě a za dalších pár let se ji podařilo využít v laseru stejně jako předtím neodymem dopované sklo, avšak s horším laserovým výstupem. V materiálovém výzkumu vedlo toto zjištění k úpadku zájmu o keramiku pro lasery, takže během následujících deseti let byl zaznamenán pouze mírný pokrok. V roce 1984 byl v podobě transparentní keramiky vyroben Nd:YAG, a to spékáním za přítomnosti směsi SiO2 a MgO. Nicméně kvalita vyrobené keramiky nebyla dostatečná pro efektivní laserovou činnost, prahová hodnota čerpání byla 25krát vyšší než stejná hodnota pro krystalický Nd:YAG [7].

Obr. 3: Hlavní kroky výrobního postupu transparentní keramiky Yb3+:Y2O3 technikou reakce v pevné fázi. a) vysoce čisté prášky oxidů yttria a ytterbia, b) mísení prášků, c) nízkotlaké jednosměrné lisování v hydraulickém lisu, d) tvarování izostatickým lisováním při vysokém tlaku za studena, e) nevypálená keramika, f) vysokoteplotní spékání v peci, g) hotová transparentní keramika.

První vysoce transparentní keramický laser Nd3+:YAG byl vyroben v roce 1995 skupinou japonských vědců vedených A. Ikesuem. Keramika připravená technikou „reakce pevné látky“ měla laserovou kvalitu a vykazovala kvalitativně srovnatelné vlastnosti s monokrystalickým Nd3+:YAG při laserové účinnosti 28 % [8]. Jiná skupina vědců z japonské firmy Konoshima Chemicals upravila techniku mísení různých prášků pro použití nanokrystalických materiálů a pomocí vakuového spékání vyrobila transparentní keramický Nd3+:YAG. První laser využívající tuto keramiku společnost představila v roce 1999, při dosažení laserové účinnosti 53 % se téměř smazal rozdíl mezi keramickými a monokrystalickými aktivními prostředími. Po dvou letech od první demonstrace Konoshimou byl na výstupu laseru s 20 cm dlouhou tyčí keramického Nd:YAG (o průměru 8 mm) naměřen výstupní výkon 1,46 kW. Tento úspěch zvýšil zájem o transparentní keramiku pro lasery, což v Japonsku vedlo v konečném důsledku k úspěšnému spuštění výroby keramiky granátů a seskvioxidů. Laser s keramickým aktivním prostředím Yb:YAG sestavený společností Grumman Corporation dosáhl rekordního výkonu 105 kW. Popisovaný vývoj je na obrázku 2 dokreslen prudkým růstem laserového výkonu při použití transparentní keramiky YAG, zobrazen je časový rozsah předešlých 25 let, po rekordním úspěchu z roku 2009 docházelo již jen k mírnému zvyšování výkonu. Zájem však nebyl pouze o transparentní oxidovou keramiku, v laserové kvalitě byla úspěšně připravena fluoridová keramika s matricí CaF2 a SrF2 dopovaná prvky vzácných zemin.

Obr. 4: Podoby komerčně dosupné transparentní keramiky. a) gradientní dopování, b), c) odlišné složení pláště oproti jádru.

Převážně se transparentní keramika vyrábí z materiálů s kubickou krystalovou mřížkou – toto omezení plyne z dvojlomnosti nekubických materiálů, i když se pomocí pokročilé techniky výroby podařilo vyrobit také několik nekubických keramik, z nichž je zářným příkladem fluoroapatit (FAP), u něhož byla úspěšně otestována laserová činnost [9]. Laserová aktivní média se obecně vyrábějí v podobě desek nebo tyčí s uniformním složením, což není nutné díky výjimečným možnostem keramiky. Rozvoj technologie výroby přinesl kompozitní keramiku, která vzniká spojením materiálů s různým složením do jednoho kompaktního celku. Výroba kompozitních krystalů je také možná, proces spojování má ovšem extrémní požadavky na přesnost opracování krystalů, což je současně drahé a časově náročné. Výroba kompozitní transparentní keramiky je časově úspornější a následné opracování minimální. Tato výhoda přinesla možnost produkovat kompozitní keramiku s komplikovaným prostorovým rozložením dopantů, jako je to kupříkladu u gradientně dopované keramiky, u níž je gradientně měněna hustota příměsí, u keramiky s podélnou změnou materiálového složení, jako je to u kompozitu YAG/Nd:YAG/YAG, nebo u keramiky s odlišným složením pláště oproti jádru (viz ilustraci na obrázku 4). Takto vyrobená keramika přispěla k vývoji laserů s vysokou účinností a s požadovanými vlastnostmi výstupního svazku. Kupříkladu kompozitní keramika s gaussovským rozložením dopantů na průřezu aktivního prostředí napomáhá dosáhnout laserového svazku s gaussovským profilem. Keramika se změnou složení v čelové oblasti aktivního prostředí umožňuje potlačit tvorbu tepla podél čerpané části prostředí, čímž se sníží efekt tepelné čočky a zvýší se kvalita výstupního laserového svazku. Kompozitní keramika složená z laserově aktivního prostředí a saturovatelného absorbéru, konkrétně třeba Yb:YAG/Cr:YAG, slouží ke generaci Q-spínaných nanosekundových pulzů.

Výroba transparentní keramiky

Při výrobě transparentní keramiky laserové kvality se postupuje podle stejných kroků (viz ilustraci na obrázku 3), jakými se vytváří například žáruvzdorná keramika [10] – jsou jimi příprava prášku, tvarování a vysokoteplotní spékání, nicméně v případě transparentní keramiky je třeba bedlivě hlídat výrobní parametry od čistoty prášku po konečné vyleštění povrchu keramiky. Kvalita použitých prášků je nesmírně důležitá pro vytvoření výrobku s požadovanými vlastnostmi. Existuje několik technik pro jejich zpracování do požadované velikosti, tvaru a prostorového rozložení. Kaž­dá nese jméno výzkumníka, který ji vyvinul a osvojil si ji, dvě nejběžnější jsou dopodrobna popsány v následujícím textu. Ikesue a kol. ze společnosti World-Lab Co. si osvojili techniku reakce v pevné fázi, zatímco Yagi a Yanagitani z Konoshima Chemicals používají techniku srážení mokrou cestou k výrobě nanoprášků následované vakuovým spékáním. Na příkladu výroby keramického Yb:Y2O3 jsou tyto dvě techniky popsány pomocí vývojových diagramů na obrázku 5.

Obr. 5: Vývojový diagram dvou nejběžnějších technik používaných k přípravě transparentní keramiky Yb3+:Y2O3, vlevo technika reakce v pevné fázi, vpravo srážení mokrou cestou.

Jak můžete z diagramu pozorovat, technika reakce v pevné fázi používá jako prekurzory vysoce čisté oxidy, které jsou v kulovém mlýnu semlety s malým množstvím spékací látky a tmelem v etanolu. Suspenze je rozprášena, čímž jsou získána kulová zrna. Vysušený prášek je při nízkém tlaku jednosměrně lisován v hydraulickém lisu, poté následuje studené izostatické lisování při vysokém tlaku, na jehož konci získáme keramický polotovar či preformu neboli nevypálenou keramiku, v angličtině „green body“ podle analogie s nezralými plody ovoce. Transparentní keramika je pak výsledkem vakuového spékání preformy při vysokých teplotách. Barevná centra vznikající vakancí kyslíku mohou být dodatečně odstraněna žíháním. Úspěšnost této techniky závisí na schopnosti dosáhnout jednotné velikosti zrn a na rovnoměrnosti rozmíchání prekurzorů při mletí v kulovém mlýnu. V případě techniky srážení mokrou cestou používané Konoshimou tyto technologicky problematické části odpadají, neboť prekurzory jsou míseny v podobě iontových roztoků, u kterých je nesrovnatelně jednodušší dosáhnout rovnoměrného rozmísení, a dále to napomáhá dosáhnout velmi jemných prášků se zrnitostí několika stovek nanometrů. Aby se připravené prášky dobře mísily se spékací příměsí, jsou míseny v kulovém mlýně. Preforma s vysokou hustotou se vytvoří odléváním suspenze, po vytvarování putuje do vysokoteplotní vakuové pece. Transparentní keramikou se stane po několika hodinách spékání.

Že vlastnosti výchozích prášků významně ovlivňují kvalitu transparentní keramiky, si uvědomili i materiáloví výzkumnici. Testovali proto několik výrobních technik, mezi nimiž byly proces sol-gel, spalovací syntéza, pyrolýza tepelným sprejováním (flame-spray pyrolysis) nebo hydrotermální syntéza a další. Těmito technikami lze vyrábět velmi jemné prášky bez větších shluků a s celkem jednotnou velikostí zrn. Tvoření a tvarování preforem probíhá buď lisováním za studena, jakým je jednosměrné lisování, nebo technikami lití, a to v podobě suspenzního lití, gelového lití nebo lití fólií [10]. Vzhledem k možnostem vyrábět keramiku velkých rozměrů a uniformitě gradientu uvnitř keramických preforem jsou posledně zmíněné techniky upřednostňovány. K odstranění tzv. otevřené pórovitosti a zahuštění keramiky slouží proces spékání, který v tomto případě probíhá ve vakuu (10−4 Pa). Přidání spékací příměsi může zefektivnit proces zahušťování keramiky před růstem a zhrubováním zrn – čím menší jsou zrna, tím lepší mechanické vlastnosti má výsledná transparentní keramika. Kromě vakuového spékání se k zahušťování keramiky používá i technika horkého lisování, při níž je aplikováno jednosměrné lisování spolu s vysokou teplotou. Tato technika umožňuje dosáhnout zhuštění při nižších teplotách, důsledkem čehož má vypálená keramika jemnější zrnitost. Posledním nezbytným krokem je odstranění tzv. reziduální pórovitosti. Provádí se žárovým izostatickým lisováním, při němž je na vypalovanou keramiku za stále vysoké teploty aplikován plyn s vysokým tlakem.

Překonávání problémů při výrobě transparentní keramiky laserové kvality

Výroba transparentní keramiky požaduje pečlivé sledování a udržování podmínek v každém výrobním kroku. Prášky by měly být dobře spékatelné kulové částice oproštěné od jakýchkoli nečistot a přítomnosti několika fází s odlišnými vlastnostmi. I malá odchylka od stechiometrie má za následek tvorbu jiné fáze, která u vypálené keramiky způsobuje rozptylové ztráty (viz ilustraci na obrázku 6). Kromě těchto fází způsobuje snížení transmisivity i přítomnost uzavřených pórů s velikostí odpovídající vlnové délce procházejícího záření. Abnormální růst zrn má za následek vznik reziduálních pórů, které je následně složitější odstranit. Keramika laserové kvality může obsahovat nejvýše pět pórů na milion zrn. Společnost Konoshima Chemicals úspěšně vyrábí vzorky s pórovitostí dvou pórů na milion zrn s absorpčním koeficientem nižším než 0,1 cm−1. Prášky vyráběné chemickou cestou vykazují vyšší čistotu, stejnorodost chemického složení, užší křivku rozdělení velikosti zrn, nižší seskupování a nanovelikost částic, což jsou žádoucí vlastnosti pro tvorbu keramiky s kontrolovatelnou pórovitostí.

Obr. 6: Světelné ztráty vznikají v transparentní keramice v důsledku a) rozptylu na nečistotách a pórech, b) rozptylu na hranicích zrn, c) rozptylu na jiné fázi, d) odrazem a dvojlomem na hranici zrn, e) difúzním rozptylem na nerovnostech povrchu.

Dalším omezením pro vývoj transparentní keramiky je dvojlom nekubických materiálů, který způsobuje rozptyl záření. To je také hlavním důvodem, proč má většina transparentní keramiky kubické uspořádání. Anizotropní materiály mohou být převedeny do podoby kubických, a to buď zmenšením velikosti zrn do nanorozměrů, nebo orientováním částic vybraným směrem. Nekubická keramika laserové kvality již byla úspěšně vyrobena, byl jím fluorapatit s vysokou krystalickou texturou, dále též keramiky orientované pomocí magnetického pole s vysokou intenzitou. Rozptylové ztráty vznikající dvojlomem je díky těmto výrobním procesům možné podstatně snížit. Nicméně zvětšení rozměrů nekubické keramiky stále zůstává oříškem, což u vysokovýkonových pevnolátkových laserů předurčuje použití kubické keramiky.

Obr. 7: Zobrazení povrchu lomové plochy transparentní keramiky Yb:LuAG pomocí skenovací elektronové mikroskopie (a) a pomocí zvětšovacího optického mikroskopu (b); zobrazení vyleštěného a tepelně leptaného povrchu pomocí elektronové mikroskopie (c) a zvětšovacím optickým mikroskopem (d) [11].

Ukázka vysokovýkonového pevnolátkového laseru s aktivním prostředím z keramického YAG

Pevnolátkové lasery dodávající pulzy s vysokou energií a velmi vysokým středním výkonem jsou velice žádané vědeckou komunitou, armádou, průmyslem a medicínou. Vývoj laserů s vysokou výstupní energií požaduje aktivní laserová prostředí s výbornou tepelnou vodivostí, aby při laserové činnosti docházelo k účinnému odvodu vytvářeného tepla, a s dobrými mechanickými vlastnostmi schopnými odolávat namáhání a tepelným šokům [11]. Transparentní keramika s kubickým uspořádáním vyráběná z oxidů splňuje všechny tyto požadavky, a byla proto první volbou pro lasery s vysokou výstupní energií. Aktivním prostředím laserů s vysokým výstupním výkonem se stal yttrito-hlinitý granát (YAG) dopovaný nejčastěji ionty Nd3+ nebo Yb3+. V roce 2009 společnost Northrop Grumman dosáhla při použití keramického Nd:YAG výkonu přesahujícího 100 kW. Iont Yb3+ má jednoduchou strukturu elektronových hladin oproti iontu Nd3+ a netrpí tak tepelnou zátěží, jež je důsledkem upkonverzních optických procesů, zejména absorpcí z vybuzeného stavu (ESA) – proto upoutal pozornost jako aktivní iont pro YAG matrice používané pro lasery s vysokou výstupní energií. S dostupností vysokovýkonových laserových InGaAs diod, jejichž emisní pásy dobře zapadají do absorpčních pásů ytterbia, se mohl vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserů zaměřit na testování různých uspořádání čerpání a laserově aktivního prostředí, kterým byl Yb:YAG. Například na výstupu diodově čerpané kompozitní keramické tyče Yb:YAG s dopovaným jádrem a nedopovaným pláštěm byl výstupní výkon 520 W, zatímco s keramickými deskami bylo dosaženo výkonu vyššího než 1 kW.

Obr. 8: Laserový systém Bivoj: YDFO – ytterbiový vláknový oscilátor, YDFA – ytterbiový vláknový zesilovač, PZ1, PZ2 – předzesilovače pracující při pokojové teplotě, HZ1, HZ2 – kryogenně chlazené hlavní zesilovače.

Zprovozněny byly vysokovýkonové laserové zesilovače mnoha různých konstrukcí, s jednou tyčí (single rod), s cikcak průchodem svazku skrz desku (zigzag slab), s jednou deskou v pozici krajního zrcadla rezonátoru nazývanou aktivním zrcadlem (active mirror slab) a s několika deskami (multi-slab) s chlazenými čelními stěnami. Diodově čerpané systémy se zesilovačem s aktivním zrcadlem (AMA) a s vícedeskovým zesilovačem často úspěšně generují laserové pulzy s vysokou energií při vysoké opakovací frekvenci. Například francouzský systém Lucia se zesilovači s aktivním zrcadlem úspěšně produkoval pulzy s energií 14 J s 20% účinností při použití Cr4+/Yb3+:YAG kompozitní keramiky. Vícedeskový zesilovač je další oblíbenou konstrukcí, která umožňuje efektivní chlazení obou čel aktivního prostředí, díky čemuž je ideální pro lasery s vysokým středním výkonem. „Bivoj“ (viz obrázek 9) ve výzkumném centru HiLASE je právě takovým laserovým systémem, který využívá Yb dopované desky transparentního keramického YAG a dosahuje středního výkonu 1 kW, čímž pokořil laserový systém Mercury podobné konstrukce postavený v Lawrencově národní laboratoři (LLNL) v americkém Livermoru – ten používá čtrnáct chlazených desek krystalického stronciového fluorapatitu (S-FAP) dopovaného ytterbiem.

Obr. 9: Laserový systém Bivoj. V popředí předzesilovače PZ1 a PZ2, v pozadí hlavní zesilovač HZ1.

Laserový systém Bivoj [2, 12] sestává ze dvou hlavních, kryogenně chlazených zesilovačů, na obrázku 8 označených HZ1 a HZ2. První zesilovací stupeň je tvořen čtyřmi keramickými deskami ve tvaru válce, každá s tloušťkou 0,5 cm a průměrem 4,5 cm (viz obrázek 1). K omezení nechtěných parazitních oscilací a k redukci zesílené spontánní emise (ASE) jsou desky opatřeny 5 mm tlustým pláštěm Cr4+:YAG s vysokou absorpci pro laserovou vlnovou délku 1 030 nm. Jednotlivé desky mají rozdílnou koncentraci Yb3+ iontů, která je navržena tak, aby se podél šíření svazku zachovávalo konstantní zesílení a tepelná zátěž. Při čerpací energii 33,6 J první stupeň zesiluje vstupní svazek s energií 62 mJ na výstupní energii přibližně 6 J a to zvládne desetkrát za vteřinu. Druhý stupeň zesilovače je složen ze šesti čtvercových desek Yb:YAG o straně 12 cm a tlustých 0,85 cm s vrstvou pláště z Cr:YAG (viz obr. 10) silnou jeden centimetr. Zesilovač druhého stupně při čerpání 465 J dokáže zesílit vstupní pulzy s energií 6 J na výstupní energii převyšující 100 J. Desky v obou hlavních zesilovačích jsou chlazeny prouděním plynného helia na teplotu 150 K. Při opakovací frekvenci 10 Hz a délce pulzů 10 ns přesahuje střední výkon výstupního záření 1 kW, čímž si systém Bivoj připsal světové prvenství v oblasti diodově čerpaných laserů. Dostupnost rozměrných keramických aktivních prostředí spolu s možností účinného chlazení umožnily podstatné zvýšení výstupní energie a pracovní frekvence pevnolátkových laserů, což otevřelo dveře novým aplikacím v mnoha oborech průmyslu, vědy a medicíny.

Obr. 10: Šest keramických desek hlavního zesilovače HZ2 laserového systému Bivoj uchycené v rámu. Silně absorbující tmavý okraj dopovaný ionty Cr4+ slouží k omezení nechtěných parazitních oscilací a k redukci zesílené spontánní emise.

Závěr

Rychlejší výroba, nižší procesní teplota, levnější výrobní náklady, rozměrová škálovatelnost a možnost vyrábět složitá prostorová uspořádání dělá technologii výroby transparentní keramiky atraktivní pro pevnolátkové lasery. Tento článek by měl čtenáři poskytnout historický přehled vývoje transparentní keramiky pro laserové aplikace, stručně seznámit se dvěma hlavními výrobními technikami a diskutovat zdolané problémy a požadavky kladené při výrobě transparentní keramiky laserové kvality. S rostoucím zájmem o vysokovýkonové diodově čerpané lasery je transparentní keramika nejatraktivnějším aktivním prostředím a zůstane tak „požehnáním pro společenství laserových vědců“.

Poděkování

Práce na tomto článku byla finančně podpořena Evropským fondem pro regionální rozvoj a státním rozpočtem České republiky (projekt HiLASE CoE, čís. CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_006/0000674; program NPU I, projekt čís. LO1602).

Literatura
  1. Transparent Ceramics Market Worth $1.1 Billion By 2024. Online: https://www.grandviewresearch.com/press-release/global-transparent-ceram...
  2. P. Mason, M. Divoký, K. Ertel, J. Pilař, T. Butcher, M. Hanuš, S. Banerjee, J. Phillips, J. Smith, M. De Vido, A. Lucianetti, C. Hernandez-Gomez, Ch. Edwards, T. Mocek, J. Collier: „Kilowatt average power 100  J-level diode pumped solid state laser“, Optica 4, 438 (2017).
  3. T. H. Maiman: „Stimulated optical radiation in ruby“, Nature 187, 493 (1960).
  4. P. P. Sorokin, M. J. Stevenson: „Stimulated Infrared Emission from Trivalent Uranium“, Phys. Rev. Lett. 5, 557 (1960).
  5. A. Nehari, A. Brenier, G. Panzer, K. Lebbou, J. Godfroy, S. Labor, H. Legal, G. Chériaux, J. P. Chambaret, T. Duffar, R. Moncorgé: „Ti-Doped Sapphire (Al2O3) Single Crystals Grown by the Kyropoulos Technique and Optical Characterizations“, Cryst. Growth Des. 11, 445 (2011).
  6. G. Boulon: „Fifty years of advances in solid-state laser materials“, Opt. Materials 34, 499 (2012).
  7. G. With, H. J. A. van Dijk: „Translucent Y3Al5O12 Ceramics“, Material Research Bulletin 19, 1669 (1984).
  8. A. Ikesue, T. Kinoshita, K. Kamata, K. Yoshida: „Fabrica­tion and Optical Properties of High‐Performance Polycrystalline Nd:YAG Ceramics for Solid‐State Lasers“, J. Am. Ceramic Soc. 78, 1033 (2005).
  9. J. Li, Y. Pan, Y. Zeng, W. Liu, B. Jiang, J. Guo: „The history, development, and future prospects for laser ceramics: A review“, Int. J. Refractory Metals and Hard Materials 39, 44 (2013).
  10. H. Ovčačíková, J. Vlček: Speciální keramické materiály. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Ostrava 2013. Online: https://www.fmmi.vsb.cz/export/sites/fmmi/modin/cs/studijni-opory/resite...
  11. D. Zhou, Y. Shi, J. Xie, D. Chen, J. Dong, K. Ueda a J. Xu: „Laser grade Yb:LuAG transparent ceramic prepared by nanocrystalline pressure-less sintering in reducing H2,“ Opt. Mater. Express 7, 1274-1280 (2017).
  12. J. Pilař, M. De Vido, M. Divoký, P. Mason, M. Hanuš, K. Ertel, P. Navrátil, T. Butcher, O. Slezák, S. Banerjee, J. Phillips, J. Smith, A. Lucianetti, C. Hernandez-Gomez, Ch. Edwards, J. Collier, T. Mocek: „Characterization of Bivoj/DiPOLE 100: HiLASE 100-J/10-Hz diode pumped solid state laser“, Proc. SPIE 10511, Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 15. 2. 2018, s. 105110X.
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Nobelovu cenu získali vědci za příspěvek k poznání evoluce vesmíru a našeho místa v něm

Novinky: Fyzikální ústav - Čt, 10/10/2019 - 15:14

Kanadsko-americký fyzik a kosmolog James Peebles a švýcarští vědci Michel Mayor a Didier Queloz jsou novými nositeli Nobelovy ceny za fyziku. Královská švédská akademie věd ocenila jejich přínos k pochopení vývoje a struktury vesmíru od velkého třesku po dnešek a objev první exoplanety obíhající kolem hvězdy podobné Slunci. Výzkumu exoplanet se věnují i vědci v Akademii věd ČR.

James Peebles, Michel Mayor a Didier Queloz. Copyright © Nobel Media 2019. Illustration: Niklas Elmehed.

Jednu polovinu ceny si odnáší James Peebles za objevy, které podle prohlášení Královské švédské akademie věd položily základy současného pojetí vesmíru a přispěly k přeměně kosmologie z pouhých spekulací ve vědu postavenou na vědecky podložených poznatcích. Nový laureát nejvyššího vědeckého ocenění se zasloužil o vypracování teorie velkého třesku, která popisuje počátek vesmíru, a má zásadní podíl i na poznávání jeho dalšího vývoje a procesů v něm.

Vesmír byl ve svém počátku vyplněn hustým a horkým plazmatem, postupně se však ochlazoval a zhruba 380 tisíc let po velkém třesku vznikly stabilní atomy vodíku a helia a vesmír zprůhledněl pro elektromagnetické záření – světlo (fotony) se oddělilo od látky. Pozůstatkem tohoto vývoje je tzv. reliktní záření nebo také mikrovlnné záření kosmického pozadí, které dodnes prostupuje celý vesmír a bývá též označováno jako „ozvěna velkého třesku“. Jeho vlnová délka se postupně víc a víc prodlužovala a záření chladlo až na současných přibližně –271 °C, tedy pouhé necelé tři stupně nad absolutní nulou. Stále však poskytuje vědcům informace o dění v nejranějších fázích vývoje vesmíru, od nepatrného zlomku první sekundy po velkém třesku až do oněch asi 380 tisíc let po něm. Není zcela rovnoměrné, ale vyskytují se v něm nevelké fluktuace, z nichž se nicméně dá vysledovat mnoho kosmologických parametrů.

James Peebles stál v čele výzkumů hledajících vysvětlení tohoto záření pocházejícího z raných fází vývoje vesmíru. Pomocí svých vlastních teoretických nástrojů a výpočtů dokázal interpretovat stopy dějů v něm zachycených a objevil nové fyzikální procesy. Uvědomil si například, že teplota reliktního záření by mohla prozradit, kolik vzniklo ve velkém třesku hmoty, a že jeho uvolnění hrálo rozhodující roli ve způsobu, jakým se hmota později shlukovala, aby vytvořila galaxie a galaktické kupy.

Vesmír známý a neznámý

Výsledky jeho dalších bádání vedly mimo jiné k tomu, že v současnosti známe pouhých asi 5 % hmoty ve vesmíru – tu, která tvoří hvězdy, planety i nás, lidi. Zbývajících dosud nepoznaných 95 % tvoří tzv. temná (nebo též skrytá) hmota – nebo lépe látka – a temná (skrytá) energie. Obě jsou zatím záhadou – asi největší z těch, před nimiž současná kosmologie stojí.

Pozn.: Připomeňte si důležité momenty z výzkumu J. Peeblese při sledování pořadu Studio ČT24, ve kterém byl hostem Jiří Grygar z FZU AV ČR.

O druhou polovinu letošní Nobelovy ceny za fyziku se dělí Michel Mayor a Didier Queloz. Přinesli odpověď na otázku, která dlouho vyvolávala zvědavost nejen vědců: mohou být ve vesmíru, mimo naši vlastní sluneční soustavu, planety obíhající kolem jiných hvězd podobných našemu Slunci? V říjnu 1995 šokovali oznámením, že první takovouto exoplanetu skutečně nalezli. A jejich objev vedl k revoluci v astronomii, konstatovala Královská švédská akademie věd.

Jimi objevená exoplaneta obíhá kolem hvězdy 51 Pegasi v naší Galaxii, 50 světelných let od Země. Svou mateřskou hvězdu oběhne velice rychle, za pouhé čtyři dny, a je k ní též velice blízko, v průměru pouhých 8 milionů kilometrů. Proto je velmi horká – hvězda ji ohřeje na více než 1000 °C. A co bylo zvlášť překvapivé – je to plynný obr srovnatelný velikostí s největší planetou sluneční soustavy – Jupiterem.

Ovšem podle tehdejších hypotéz o vzniku planetárních soustav měly takto obří planety vznikat pouze ve velkých vzdálenostech od své hvězdy, a mít tudíž dlouhou dobu oběhu (Jupiteru trvá oběhnout Slunce bezmála 12 let). Proto se také v té době astronomové pátrající po exoplanetách snažili snímkovat co největší počet hvězd, měli nicméně za to, že stačí každou z nich sledovat ve větších časových intervalech, obvykle měsíce až dvou. To by při delších oběžných dobách planet samozřejmě stačilo.

Michel Mayor a Didier Queloz však opustili tento obecně přijímaný předpoklad (což je ve vědě tak často základním krokem k opravdovému průlomu) a zvolili jinou strategii pozorování: každou jasnou noc nabírali spektra stejných hvězd slunečního typu. Tento neobvyklý postup brzy přinesl ovoce – první exoplaneta byla nalezena! Nejprve se tomu široká astronomická obec zdráhala uvěřit – data objevitelů však byla přesvědčivá. A dosavadní hypotézy se začaly přepracovávat…

Exoplanety různých typů

Od té doby bylo už objeveno na 4000 exoplanet nejrůznějších typů – nejprve šlo o tělesa podobná první objevené exoplanetě – začalo se jim říkat horké Jupitery. Většinou jsou velmi hmotné a často obíhají kolem své hvězdy (nebo dokonce i dvojhvězd!) po velice protáhlé dráze. Posléze se začaly nacházet i exoplanety složené z hornin a konečně se ukázala i první planetární tělesa v tzv. obyvatelné zóně, na jejichž povrchu může být kapalná voda. Rozmanitost podob jednotlivých exoplanet i cizích planetárních systémů, tolik odlišných od naší sluneční soustavy, přiměly vědce zcela přehodnotit dosavadní názory na vznik planet a jejich soustav u jiných hvězd.

V současnosti už bylo sice několik exoplanet pozorováno přímo, většinou však astronomové mohou poznat jejich přítomnost pouze nepřímými metodami. Dají se hledat na základě tzv. tranzitů, kdy se sledují změny jasu hvězdy. Když totiž planeta přechází – z našeho zorného pole – před kotoučem hvězdy, poněkud ji zastíní, takže jas hvězdy, kterou sledujeme, slabě poklesne.

Dále se exoplanety odhalují podle jejich gravitačního působení na mateřskou hvězdu. Pokud má hvězda planetu, obíhají obě kolem společného těžiště. Z našeho pohledu se pak zdá, že se hvězda nepatrně periodicky pohybuje směrem k nám a zase od nás – což se dá zjistit ze spektrálních čar na základě tzv. Dopplerova posunu. Pokud se objekt vzdaluje, vlnová délka světla se zvětší (červený posuv), jakmile se přibližuje, vlnová délka se zmenší (modrý posuv). Právě tohoto způsobu využili Michel Mayor a Didier Queloz – museli si však nejprve vyvinout dostatečně citlivé postupy a zařízení schopná taková měření vůbec provést. Zkonstruovali ve své době nejpřesnější spektrograf, díky němuž byly chyby v jejich měření tak malé, že jim v tomto ohledu nikdo nedokázal konkurovat. Pozorované efekty jsou totiž natolik nepatrné, že už samo jejich změření znamená nesmírný úspěch. Takový, že badatelům nakonec přinesl Nobelovu cenu za fyziku.

Královská švédská akademie věd při jejím vyhlašování uvedla: „Letošní laureáti změnili naše pojetí vesmíru. Zatímco teoretické objevy Jamese Peeblese přispěly k pochopení, jak se vesmír po velkém třesku vyvíjel, Michel Mayor a Didier Queloz při lovu neznámých planet zkoumali naše kosmické sousedství. Jejich objevy jednou provždy změnily naše představy o světě.“

Převzato z webu Akademie věd ČR. Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Nanodiamanty pomáhají rozkládat nervově paralytické látky

Novinky: Fyzikální ústav - Út, 10/01/2019 - 11:24

Nebezpečné bojové chemické látky jako novičok nebo sarin by mohl několikanásobně účinněji rozložit nový nanokompozit. Na jeho vývoji se podíleli i vědci Akademie věd ČR, Štěpán Stehlík z Fyzikálního ústavu a Jiří Henych z Ústavu anorganické chemie, spolu s kolegy z dalších českých institucí i Uppsalské univerzity.

Rychlé a účinné odbourávání nebezpečných látek je klíčové pro dekontaminaci zasaženého území, ochranu obyvatelstva i životního prostředí. Použití podobných nanokompozitů by mohlo zachránit životy při zamoření prostoru, jaká známe z britského Salisbury po útoku novičokem na ruského zpravodajce Sergeje Skripala a jeho dceru nebo po použití zakázaného sarinu v Sýrii. Obdobně by je bylo možno využít i při kontaminaci insekticidy.

Mezinárodní tým vědců jednoduchou a průmyslově využitelnou metodou připravil nanokompozit, který umí rozkládat neblaze proslulou bojovou látku soman s vyšší účinností než používané komerčně dostupné materiály. Soman, zařazený rezolucí OSN mezi zbraně hromadného ničení, patří spolu se sarinem a tabunem mezi nervově paralytické látky třídy organofosfátů.

„Nanostrukturní oxid titaničitý (TiO2) dokáže rozkládat škodliviny typu bojových látek díky svým unikátním povrchovým vlastnostem a ještě účinněji za přítomnosti světla. Jeho vlastnosti jsme při výzkumu vylepšili kombinací s nanodiamanty. Ty pomohly zvýšit rychlost rozkladu somanu zhruba třikrát. Výhoda použitých nanodiamantů v nanokompozitu totiž spočívá v jejich vhodné povrchové chemii,“ vysvětluje Štěpán Stehlík, který se ve Fyzikálním ústavu AV ČR věnuje přípravě a studiu diamantových nanočástic.

Vlevo: Snímek z elektronového mikroskopu s vizualizací nanodiamantů (oranžová) rozprostřených na povrchu oxidu titaničitého (modrá) v připraveném nanokompozitu.
Vpravo: Rozklad bojové chemické látky somanu pomocí čistého oxidu titaničitého, nanodiamantů a jejich společného nanokompozitu, který byl nejúčinnější.

Nápad použít v nanokompozitu právě nanodiamanty se zrodil díky jeho úzké spolupráci s Ústavem anorganické chemie, s nímž vyvíjí metody jejich efektivnějšího zpracování.

„Nanodiamanty se ukázaly jako velmi vhodný materiál, protože jsou relativně levné a lze velmi jednoduše upravovat jejich povrchové chemické vlastnosti, a tak i vlastnosti výsledného kompozitu,“ potvrzuje Jiří Henych, hlavní autor studie.

Dosažené výsledky představují slibný základ pro další výzkum nanokompozitů na bázi oxidů kovů a nanodiamantů. „K významnému zlepšení účinnosti přitom stačilo pouze jedno až dvě procenta hmotnosti nanodiamantů,“ dodává Stehlík.

Dalšími institucemi, které se podílely na výzkumu, jsou České vysoké učení technické v Praze, Univerzita J. E. Purkyně a Vojenský výzkumný ústav, s. p.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Podzimní setkávání s Fyzikálním ústavem

Novinky: Fyzikální ústav - Út, 09/03/2019 - 22:21

První podzimní měsíc bude na Fyzikálním ústavu AV ČR ve znamení akcí pro veřejnost, kterých proběhne hned několik. Akce konající se každý rok, jako je Festival vědy a Noc vědců, budou letos doplněny zapojením Fyzikálního ústavu do sousedských slavností Zažít město jinak. Všechny akce jsou zdarma, pro bližší info o programu a přihlašování čtěte dále.

Série událostí začíná ve středu 4. září Festivalem vědy. Akce se koná na pražském „Kulaťáku“ v Dejvicích a návštěvníci se mohou těšit na celodenní program, který bude letos poprvé prodloužen až do 19 h. Dopolední program je často vyhledávaný školními skupinami, pro které je vhodným způsobem zahájení školního roku. Zájemci z řad široké veřejnosti jsou však také vítáni po celý den.

Na stánku Fyzikálního ústavu se návštěvníci letos podrobně seznámí s výzkumnou sekcí, zkoumající částicovou fyziku a astrofyziku. FZU navíc vyniká v oboru, který obě oblasti spojuje dohromady – tzv. astročásticové fyzice. Přijďte poodhalit závoj tajemství, který tento pojem obestírá! Na vlastní oči se seznámíte s částicemi, které přilétají v ohromných množstvích z vesmíru a nepozorovaně dopadají na nás i vše kolem – s námi je pozorovat můžete. Na místo přivezeme za tímto účelem naší novou mlžnou komoru. Dále se dozvíte, na jakých zahraničních observatořích se podílíme, jak čeští vědci přispívají k výzkumu v laboratoři CERN a v neposlední řadě se seznámíte s vědci z kosmologické skupiny CEICO, kteří zkoumají vývoj a stavbu samotného vesmíru.

Stopy částic v mlžné komoře - co znamenají a nejsou nebezpečné?

V sobotu 21. září proběhne v rámci akce Zažít město jinak (ZMJ) sousedská slavnost v Cukrovarnické ulici ve Střešovicích, a to přímo před historickým areálem Fyzikálního ústavu, který samozřejmě na oslavě nebude chybět. Myšlenkou ZMJ je zvyšování povědomí o hodnotě veřejného prostoru a umožnění setkávání aktivních obyvatel na slavnostech v režii místních organizátorů a dobrovolníků.

“Fyzikální ústav a naši pracovníci se ke slavnosti Zažít město připojí například představením zajímavých fyzikálních pokusů nebo mlžné komory. Částečně otevřen bude veřejnosti i náš areál, kterým povede také trasa historické exkurze,” říká dr. Michal Dušek, vedoucí pracoviště FZU v Cukrovarnické ulici. Na závěr večera proběhne promítání amatérského historického filmu vzpomínajícího s humornou nostalgií na doby, kdy šroubovák, pájka a volmetr byly nutnou výbavou každého fyzika.

Historický snímek hlavní budovy v Cukrovarnické ulici (20. léta).

Poslední událostí měsíce září bude Noc vědců, která se uskuteční v pátek 27. září na 51 místech v celé České republice včetně tří pracovišť Fyzikálního ústavu. Do programu se každoročně zapojují výzkumné instituce, vysoké školy a hvězdárny a nabízejí návštěvníkům možnost seznámit se s fascinujícím světem vědy i s lidmi, kteří vědu dělají.

Na pracovišti FZU Na Slovance (Praha 8 - Ládví) můžete u této příležitosti navštívit exkurze zaměřené na speciální slitiny s tvarovou pamětí a elektronovou mikroskopii. Pracoviště v Cukrovarnické ulici (Praha 6 - Střešovice) představí svůj výzkum vážným zájemcům z řad studentů a potenciálním spolupracovníkům - k vidění budou nejen špičkové přístroje a pracovní postupy, ale i odlehčující pokusy a občerstvení. Bohatý program tradičně nabídnou proslulá laserová centra v Dolních Břežanech ELI Beamlines a HiLASE. Bližší informace a způsob přihlašování pro všechna místa najdete v podrobném programu.

Zažijte unikátní atmosféru Noci vědců!

A pokud nestihnete naše akce v září, nezoufejte! Můžete se těšit na Týden vědy a techniky (11. - 17. 11.), v rámci nějž se konají naše Dny otevřených dveří - více informací a přihlašování zveřejníme během září na našem webu.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Stavba nového centra pro špičkový výzkum fyziky pevných látek zahájena

Novinky: Fyzikální ústav - Út, 08/13/2019 - 15:22

Dne 14. srpna 2019 bude slavnostně položen základní kámen nové budovy špičkového výzkumného centra v oblasti fyziky pevných látek za přítomnosti významných osobností české vědy a politického života. Nový pavilon se stane součásti areálu Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR (FZU AV ČR) v Praze 8 - Ládví. V budovaném centru budou získávány nové poznatky, které nejen přispějí k pochopení podstaty dějů v moderních materiálech a nanostrukturách, ale budou také využitelné pro vývoj nových materiálů, součástek a aplikací. Dopady lze očekávat v mnoha oblastech techniky, energetiky a lékařství.

Během akce promluví předsedkyně Akademie věd ČR Eva Zažímalová, místopředseda AV ČR pro oblast věd o neživé přírodě Jan Řídký, ministr průmyslu a obchodu Karel Havlíček, náměstek MŠMT pro řízení sekce EU a ESIF Václav Velčovský, zástupce Evropské komise Josef Schwarz a ředitel FZU Michael Prouza. Ke slavnostnímu poklepání se přidá Viktorie Součková z autorského týmu Bogle Architects a Aleš Kézr, ředitel Divize J - Čechy společnosti OHL ŽS, která je generálním zhotovitelem stavby. Součástí akce bude i výstava představující nový pavilon a výzkumný projekt SOLID21, v jehož rámci je stavba realizována.

Obrázek 1: Základní kámen nové budovy je tvořený tzv. buližníkem, silicitem tmavé barvy, který svou tvrdostí symbolizuje náročnost oboru fyziky pevných látek. Svým původem také odkazuje na spjatost Fyzikálního ústavu s Prahou 8 – kámen pochází z nedalekého vrchu Ládví, odkud byl získáván pro výrobu primitivních kamenných nástrojů již v pravěku. Na snímku kámen na své původní lokalitě.

Projekt SOLID21 (Solid State Physics for 21st Century, český název Fyzika pevných látek pro 21. století) probíhá od roku 2018 a byl podpořen více než půl miliardou korun z Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání v rámci výzvy Excelentní výzkum. Na společném pracovišti spojí své síly úspěšné vědecké týmy FZU, které řeší aktuální vědecké a technické výzvy 21. století v oborech nanoelektroniky, fotoniky, magnetizmu, funkčních a bioaktivních materiálů a plazmatických technologií. K tomu využijí moderní fyzikální laboratoře navržené pro sestavy nových špičkových přístrojů, čímž obohatí stávající kapacity Fyzikálního ústavu - nový objekt pojme až 30 laboratoří, například plně vybavenou biolaboratoř, či komplex plazmových laboratoří. Dokončení budovy je plánováno na jaro roku 2021.

Obrázek 2: Architektonický návrh budovy pochází od známého studia Bogle Architects, které se podílelo také na projektu budovy laserového centra ELI Beamlines v Dolních Břežanech. To získalo několik ocenění v architektonických soutěžích, mj. 1. místo v Grand Prix architektů v kategorii novostavba.

“Pavilon je maximálně přizpůsoben nárokům extrémně citlivých přístrojů a zkoumaných materiálů. Laboratoře jsou kvůli minimalizaci vibrací umístěny v suterénu či přízemí budovy, každá laboratoř je uzpůsobena danému účelu. Například prostor pro práci s UV citlivými materiály musí být vybaven žlutým osvětlením a na jeho oknech budou instalovány žluté filtry, aby se zamezilo nežádoucím fotochemickým reakcím” říká Erika Zikmundová, zástupkyně Fyzikálního ústavu pro stavbu.

Vědecká oblast fyziky pevných látek je jednou z nejrychleji se rozvíjejících partií fyziky vůbec – vzešla z ní převážná část současných převratných technických inovací a vyznačuje se velmi krátkou dobou uvedení nových poznatků do praxe. Mezi nejdůležitější, široce využívané objevy moderní fyziky pevných látek patří např. tranzistory, lasery a fotovoltaické články, a nejnověji také LED osvětlovací technika. Tyto objevy způsobily technologickou revoluci a podstatným způsobem ovlivnily naše životy a svět kolem nás. Základní výzkum spadající do oboru fyziky pevných látek patří mezi klíčové aktivity FZU a má zde bohatou tradici.

SOLID21 zahrnuje pět samostatných výzkumných programů:

Program Fyzika pro materiálové inženýrství rozvine kapacity ústavu ve studiu speciálních a funkčních materiálů, jejichž vlastnosti dají ovlivnit změnou vnějších fyzikálních podmínek – například materiálů s tvarovou pamětí, slitin s prodlouženou životností či kapalných krystalů. Uplatnění těchto materiálů sahá od medicíny ke komunikačním technologiím.

V rámci programu Nanoelektronika rozvíjíme moderní směry v elektronice, z nichž v některých je již v současnosti FZU pracovištěm s celosvětovým dosahem. Nové laboratoře umožní další rozvoj beztranzistorové elektroniky, založené na využití kvantových jevů v molekulách a atomech. Slibnými směry jsou v tomto ohledu nejen spintronika či kvantové celulární automaty, ale i další přístupy otevírající cestu k rychlým elektronickým součástkám a počítačům s nízkou spotřebou energie.

Excelentní pracoviště v mezinárodním srovnání vzniká díky programu Fotonika a přeměny energie. Hlavním cílem je výzkum nových technologií a materiálů pro účinnou přeměnu a skladování energie – např. výzkum a vývoj luminoforů pro pevnolátkové zdroje světla, scintilačních materiálů pro detekci ionizujícího záření, či výzkum fotovoltaické a termoelektrické přeměny energie. Zaměření tak odpovídá cílům Strategie AV21 české Akademie věd a umožní prohloubení spolupráce s předními světovými laboratořemi v USA, Japonsku, CERNu a také HiLASE, laserovým centrem zaměřeným na aplikace, které je také součástí FZU.

Také program Fyzika pro bio v sobě zahrnuje úspěšné vědecké kapacity, působící dnes napříč Fyzikálním ústavem. Jejich cílem je výzkum vlivu různých fyzikálních faktorů na biologické systémy včetně vývoje nových technologií. Hlavní, avšak nikoli jedinou, náplní je vývoj technologií pro medicínu, konkrétně zobrazovací metody a transport léčiv využívající nanočástice.

Program Plazmatické technologie navazuje na tradici Fyzikálního ústavu ve výzkumu a využití nízkoteplotního plazmatu. Jsou studovány možnosti použití nízkoteplotního plazmatu při vytváření tenkých vrstev a vrstevnatých nanostruktur. Ve spolupráci s dalšími výzkumnými programy optimalizujeme proces nanášení tenkých vrstev, což má velký význam pro využití ve fotonice, fotovoltaice, elektronice, optice, při výrobě senzorů a v dalších oblastech.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ