Stáže pro středoškoláky

Proměřte reprezentativní světelné křivky různých typů proměnných hvězd a sestavte jejich atlas. U hvězd, které se vám nepodaří naměřit přímo, můžete použít fotometrický archiv dalekohledu D50.

S postupným navyšováním výpočetního výkonu počítačů se ukazuje jako čím dál praktičtější vlastnosti chemických sloučenin a reakcí neměřit v laboratoři, ale místo toho počítat v počítači. Zatímco pro velkou část molekul se tyto výpočty staly téměř rutinní záležitostí, u některých, často obsahujících atomy přechodných kovů, je situace o mnoho komplikovanější. U nich totiž nelze kvůli silné interakci rozdělit pohyb jednotlivých elektronů a řešit je jednotlivě. Bohužel se dost často jedná o ty nejzajímavější problémy, protože atomy přechodných kovů jsou mimo jiné zodpovědné za katalýzu velké části reakcí v živých organismech. V naší skupině se zabýváme právě těmito problematickými molekulami, a to nejen na úrovni samotných výpočtů, ale především vývojem nových výpočetních metod. V rámci této stáže se student naučí provádět kvantově chemické výpočty pomocí standardních programů, a poté získané schopnosti využije na modelování nějaké konkrétní molekuly.

Umělá inteligence a strojové učení se čím dál častěji využívají ve fyzice při řešení různých úloh jako třídění dat, předpovídání vývoje dynamických systémů až po formulace nových teorií. Stále však zůstává otázkou, jak přesné a všeobecné jsou tyto metody a kdy jim můžeme důvěřovat. Náplní této stáže bude studium metod strojového učení a jejich aplikace při řešení rozličných problémů ve fyzice. Studenti se naučí, jak naprogramovat jednoduché učící se modely, a budou zkoumat jejich využití a limity při studiu zajímavých fyzikálních problémů.

Ve vnitřních vrstvách ledových obrů, tj. planetách velikosti Uranu a Neptunu, panují extrémní podmínky - vysoké teploty a tlaky, které jsou blízké stavu hmoty, která se označuje anglickým termínem warm dense matter. Ledové obří planety se skládají z vody, metanu a amoniaku. Avšak za tlaků a teplot, které panují ve vnitřních vrstvách jejich atmosfér, se tyto látky nacházejí v jiných stavech a skupenstvích než jaké známe ze Země. Tyto látky se nacházejí například v supraionizovaném ledu, anebo metan může krystalizovat do struktur složených z atomů uhlíku, takže na Neptunu může padat déšť, jehož "kapky" tvoří diamanty. Jak ale toto všechno víme? Použijeme-li laser o vysokém špičkovém výkonu, můžeme vzorek materiálu - led, voda, amoniak, atd. - stlačit a ohřát až na tlaky a teploty, jaké panují uvnitř těchto planet. Z pozorovaných vlastností pak zjistíme, co se může dít pod z vesmíru viditelným povrchem ledových obrů.

Warm dense matter představuje stav hmoty vystavené extrémním podmínkám vysoké teploty (několik stovek až tisíc Kelvinů) a hustoty (hustota pevné látky až stovky g/cm3). Obecně se předpokládá, že warm dense matter se nachází v jádrech obřích plynných planet, hnědých trpaslíků či malých hvězd. Warm dense matter se také vytváří v raných fázích inerciální laserové fúze během přechodu pevné látky – ablátoru – do plazmatu. Experimentálně v laboratoři je možné ji vytvořit ozářením hmoty laserovými svazky, svazky nabitých částic, zejména těžkých iontů, nebo svazky rentgenového záření. Avšak takto ozářená látka se nachází ve stavu warm dense matter často pouze do doby, než se látka začne vypařovat či měnit v plazma, což nastává na pikosekundových časových škálách, proto je důležité warm dense matter studovat pomocí ultrarychlých sond. Přechod látky do stavu warm dense matter a objevující se strukturální změny je možné studovat pomocí měkkého rentgenového záření metodami XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) a EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure). Tyto metody jsou založeny na rentgenové absorpční spektroskopii s ultravysokým rozlišením, kdy se ve spektru záření objeví charakteristické znaky elektronových přechodů pro daný materiál, jeho aktuální stav (struktura či průběh fázových přechodů) a jeho chemické okolí. Proto je pomocí těchto metod relativně snadné studovat vlastnosti látky při vysokých teplotách (deseti tisíce Kelvinů) a tlacích (až tisíce Mbar).

Slitiny s tvarovou pamětí se vyznačují existencí vysoko- a nízkoteplotní fáze oddělené martenzitickým fázovým přechodem. Cílem práce je zkoumat vlastnosti jednotlivých fází z hlediska jejich elasticity a vlivu krystalové struktury na morfologii povrchu tenkých vrstev. Studenty čeká nejprve úvodní série přednášek na téma elasticita materiálů a její zkoumání prostřednictvím ultrazvukových metod. Poté bude následovat samostatná práce na výrobě vzorků a charakterizace metodou rezonanční ultrazvukové spektroskopie v širokém intervalu teplot. Ke studiu povrchu vrstev bude sloužit interferometrie v bílém světle, mikroskop s Nomarskiho kontrastem a měření změn odrazivosti laserem. V průběhu práce by studenti měli porozumět souvislosti změn elasticity slitin s tvarovou pamětí s přeměnou krystalové struktury a prostudovat morfologii povrchů ovlivněných mikrostrukturními změnami.

Ionosféra je část atmosféry, která díky přítomnosti elektricky nabitých částic výrazně ovlivňuje rychlost a dráhu elektromagnetického signálu. Kvůli přítomnosti ionosférického plazmatu tak dochází tak například k ovlivnění kvality dat z globálních navigačních systémů (GPS, Galileo, Glonass a další). Ionosféra je velmi variabilní na prostorových i časových škálách, na její stav má vliv jak sluneční aktivita a obecně tzv. kosmické počasí, tak i neutrální (neionizovaná) část atmosféry. Profil elektronové koncentrace je možné měřit pomocí ionosond, které pracují na principu měření rozdílu času mezi vysíláním elektromagnetického signálu a jeho následného odrazu od ionosféry. Časové zpoždění je použito pro výpočet virtuální výšky plazmatu a profilu elektronové koncentrace. Ionosonda DPS-4D (digisonda.ufa.cas.cz ) je součástí světové sítě měřících stanic. Cílem stáže je využít pozorování z ionosond pro popis faktorů, které ovlivňují stav ionosféry, zejména popsat vliv neutrální atmosféry, vliv sluneční aktivity či přísun meteorů do atmosféry na ionosféru středních šířek.

Pravděpodobně není překvapením, že polovodiče jsou všude kolem nás, v našich telefonech, televizích, rádiích či autech. Co už možná překvapením bude, je fakt, že účinnost těchto zařízení závisí na množství a typu defektů, které se vytváří při jejich výrobě. Těmto defektům říkáme dislokace a vznikají v důsledku rozdílných parametrů krystalové mřížky, jako kompenzační mechanismus napětí mezi těmito vrstvami. Jednou z metod, jak tyto dislokace najít a rozlišit je mapováním změn proudu indukovaného elektronovým svazkem (EBIC - electron beam induced current). Jedná se o techniku, kdy elektronový svazek skenovacího elektronového mikroskopu (SEM), vytvoří vázané páry elektron-díra u povrchu polovodiče, které pak rekombinují různou rychlostí v základním (bezdefektním) materiálu a v blízkosti zmíněných defektů. To způsobí změnu elektrického proudu, který můžeme měřit. Náplní této stáže bude využití EBIC techniky ke studiu defektů v různých polovodičových vrstvách na bázi nitridů Al, Ga, In, také nazývaných III-nitridy. Výstupem bude určení hustoty jednotlivých dislokací a jejich elektrických vlastností v těchto vrstvách.

Prozkoumání tajů ionizujícího záření a radioaktivity. Jak se liší chování různých částic? Jak takové částice zachytit a změřit jejich energii? A jak se před nimi chránit? Na tyto otázky a mnohé další můžete najít odpověď u nás. V rámci práce se student seznámí se základními fyzikálními principy přírodní radioaktivity a člověkem vytvářeného záření. Naučí se některé parametry předpovídat s použitím výpočetního softwaru a změřit je. Konkrétní zaměření práce bude zvoleno po domluvě dle zájmu studenta.

V předešlém ročníku jsme ukázali, jak lze charakterizovat vibrační kvantové stavy molekul bez explicitní znalosti jejich vlnových funkcí. V novém ročníku na předešlý volně navážeme a pokusíme se charakterizaci vibračních kvantových stavů zautomatizovat pomocí programu. Část stáže bude věnována fyzice molekulových vibrací a jejich charakteristice. Další část stáže se bude zabývat základy funkcionálního programování, které je pro řešení dané úlohy velmi vhodné. Stážisté by se nakonec měli sami pokusit napsat program, který vibrační charakteristiku u jednoduchých molekul dokáže vyřešit.