Stáže pro středoškoláky

Vesmírné objekty vyzařují v obrovské škále energií. Na našem pracovišti se zabýváme těmi nejvyššími energiemi jaké byly kdy pozorovány. Předmětem stáže bude seznámení se s metodami detekce kosmického záření, práce s detektory, nabírání a zpracování dat, interpretace a prezentace.

Velký hadronový urychlovač LHC v mezinárodní organizaci pro částicovou fyziku CERN je největším urychlovačem na světě. Experimenty na něm měří srážky protonů a snaží se objevit nové částice a přesně proměřit vlastnosti srážek. Nejznámějším objevem je pozorování Higgsova bosonu. Část reálných dat ze 4 velkých experimentů byla uvolněna všem zájemcům. V rámci stáže se student seznámí s nástroji na zpracování dat a bude moci vytvořit vlastní zjednodušenou analýzu poskytnutého vzorku dat. Cílem je porovnat snadnost nebo obtížnost připravených nástrojů z různých LHC experimentů. Práce je vhodná pro studenty se zájmem o fyziku a výpočetní techniku. Většina úkolů spočívá ve studiu formátu dat, nástrojů na jejich zpracování a úpravu programů.

Defekty v materiálech mohou mít významný vliv na jejich fyzikální vlastnosti. V případě dvourozměrných materiálů, jako je grafen, je tento vliv ještě výraznější, protože snížené rozměry materiálu zvyšují jeho citlivost na defekty. Cílem této práce je připravit exfoliované vzorky grafenu s různou koncentrací defektů. Tyto vzorky budou následně charakterizovány pomocí Ramanovy spektroskopie. Cílem je stanovit vztah mezi podmínkami pro tvorbu defektů a jejich koncentrací. Tento vztah bude použit pro vytvoření protokolu pro opakovanou přípravu definovaného defektního grafenu.

V blízkosti povrchu kovů, např. zlata, se mění vlastnosti molekul. Často více rozptylují světlo, což lze využít v Ramanových spektrech k jejich citlivější detekci. Např. zlatá nanovlákna byla použita k detekci chirálních molekul, tj. těch jejichž zrcadlové obrazy se mají jako pravá ruka k levé (viz. http://hanicka.uochb.cas.cz/~bour/pdf/212.pdf). V rámci stáže bychom se pro lepší pochopení těchto jevů pokusili modelovat spektra a strukturu modelových systémů pomocí moderních výpočetních metod.

The internship will show how physical experiments and theory related to crystal structures and their properties are interrelated. The internship focuses on the analysis of crystal structures with computer software developed at the institute in order to uncover novel characteristics of crystal structures. If the intern is interested a part of his work can be related to programming using the Python language. The intern will get an overview about the work in all of the department. The intern will participate in state-of-the-art research. The internship will be aimed more on the individual training of conceptual skills, thus an inclination of the intern towards theoretical thinking and general problem solving combined with strong communication skills will be beneficial. Whether or not the intern has these skills already is not important, however, important is an interest and openness for learning.

Neuromorfické počítání je inovativní vědní disciplínou, která se snaží napodobit principy a struktury lidského mozku prostřednictvím reálných fyzikálních systémů. Oproti klasickým digitálním počítačům, které pracují se sérií binárních čísel, neuromorfní systémy využívají architektury, které více připomínají fungování nervových buněk. Díky schopnosti efektivně zpracovávat a učit se komplexním datům má neuromorfické počítání velký potenciál v mnoha odvětvích, jako jsou například rozpoznávání vzorů, autonomní robotika a řešení složitých optimalizačních problémů. Nicméně, v oblasti neuromorfního počítání stále existují výzvy a otázky, které vyžadují hlubší pochopení a inovativní přístup. Jednou z nich je efektivní manipulace studovanými fyzikálními systémy. V rámci této stáže se podíváme na systémy magnetických skyrmionů a možnosti jejich využití pro neuromorfní počítání. Magnetické skyrmiony jsou topologické struktury, které vznikají v některých magnetických materiálech, a mají vlastnosti podobné částicím. Díky možnosti pohybovat magnetickými skyrmiony pomocí elektrických impulzů, mají skyrmiony široký aplikační potenciál pro neuromorfní počítání. Cílem této stáže bude pomocí metod strojového učení vytvořit učící se model pro efektivní manipulaci magnetickými skyrmiony.

Mikro krystalické práškové vzorky s vysokým poměrem povrchu k objemu jsou využívány v aplikacích pro přeměnu energie, pro fotokatalýzu, jako přísady do stavebních směsí atd. Ve Fyzikálním ústavu Akademie věd jsme ve spolupráci s českou firmou SVCS Process Innovation s. r. o. v letech 2011-2021 vyvinuli a postavili prototyp reaktoru na principu indukčně vázané plazmy (ICP, 13,56 MHz, 300 W, procesní plyny: H2, O2, Ar, N2) pro plazmovou modifikaci práškových vzorků. Plazma obsahuje energetické elektrony, kationty, excitované radikály a molekuly zajišťující modifikaci povrchových vlastností při relativně nízké teplotě vzorku. Držák vzorků ve tvaru otočné kolébky je bud elektricky izolovaný (křemenné sklo) nebo uzemněný (nerezová ocel) což má zásadní vliv na interakci plazmy se vzorkem. Čistota plazmy je monitorována optickým emisním spektrometrem (OES, 400-1000 nm). Efekty vlivu plazmy na povrchové stavy budeme studovat pomocí infračervené absorpční (FTIR), Ramanovské a fotoluminescenční spektroskopie v širokém spektrálním oboru, a to jak za pokojové teploty, tak v He kryostatu při nízkých teplotách okolo 4 K. Doznívání fotoluminiscence bude měřeno pomocí pulzní UV LED metodou fázového posuvu mezi excitačním a emisním signálem při sinusoidálním buzení. Student se seznámí s principy detekce signálu osciloskopem a synchronním detektorem. Student bude pracovat s ekologickými materiály jako např. SiO2, ZnO, apod.

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.

Jev luminiscence lidstvo fascinoval od nepaměti a často byl opředen tajemstvím. V dnešní době luminiscenci běžně používáme v nejrůznějších odvětvích lidské činnosti, od světlech v mobilu po moderní detektory radiace. Přijďte nakouknout do laboratoří Luminiscenčních a scintilačních materiálů, naučit se pracovat s aparaturou časově-rozlišené luminiscenční spektroskopie, ale hlavně poznat zábavu a úskalí spojená s experimentální fyzikou.

Technologie plynné epitaxe z organokovových sloučenin (MOVPE – z anglického Metal Organic Vapour Phase Epitaxy) patří do skupiny epitaxí z plynné fáze. Pro přípravu sloučeninových polovodičů (jako jsou GaAs, InAs, GaN, InGaN, AlGaN apod.) se využívají organokovové molekuly (např. Ga(CH3)3) a hydridy (např. NH3). Tyto prekurzory jsou v plynné fázi spolu s nosným plynem, kterým je obvykle vodík nebo dusík s čistotou lepší než 1 ppb (1 molekula nečistoty na 109 molekul nosného plynu), dopravovány do reaktoru. V reaktoru, zahřátém na teploty kolem 1 000 °C, poté dochází nad zahřátou podložkou (což bývá GaAs, nebo i safír Al2O3, křemík či GaN), k tepelnému rozkladu těchto prekursorů a atomy z nich uvolněné se deponují na na substrát a tvoří jednotlivé monokrystalické vrstvy materiálu, třeba i monoatomární. Touto metodou je možné připravit vysoce kvalitní a ultra-tenké polovodičové vrstvy s nízkou koncentrací defektů i nečistot. Je také možné připravovat složité struktury z různých materiálů, tzv. heterostruktury. Tyto struktury se využívají jako aktivní oblasti v mnoha již používaných součástkách jako jsou LED, laserové polovodičové diody, vysokofrekvenční výkonné tranzistory (HEMTy), detektory a scintilátory, apod. Struktury připravené v naší laboratoři (https://www.fzu.cz/~movpe/index.html) se měří a studují na nejmodernějších přístrojích v řadě laboratoří ve FZÚ i jinde. Sledují se optické, elektrické a strukturní vlastnosti vrstev a struktur. Studenti se budou podílet na přípravě i měření materiálů na bázi nitridu gallitého (GaN), které připravujeme pro reálné aplikace ve spolupráci s předními českými i mezinárodními firmami. Hlavní typy struktur budou v roce 2024 pravděpodobně AlGaN/GaN pro UV LED a pokud se podaří realizovat spolupráce s firmou Osram, tak struktury na bázi GaN pro scintilátory. Dále i HEMT (tranzistory s vysokou pohyblivostí elektronů) pro 5G sítě FV konvertory, snad i pro e-auta, a pro mnoho dalších aplikací. Studenti se soustředí na jednu či dvě z nich. Studenti se budou podílet na epitaxním růstu struktur. Zúčastní se měření optických (hlavně fotoluminiscence a Ramanova spektroskopie), strukturních (elektronová i hrotová mikroskopie, možná i RTG difrakce) a elektrických měření (transport elektronů, Hallův jev, možná i DLTS (studium hlubokých energetických hladin)). V průběhu stáže se plánují exkurse na Technickou univerzitu v Liberci a do firmy Crytur v Turnově, také snad do brněnského výzkumného centra CEITEC. Problematika je populárním způsobem prezentována na https://www.youtube.com/watch?v=7yZAhn2hirM a https://www.youtube.com/watch?v=C-G0FTzermc