Fyzika 3 OPTIKA A ATOMISTIKAmoderní fyzika 21.století

1

Optika• Zkoumá světelné jevy, původně ty, které byly viditelné

lidským okem

• Později se zjistilo, že stejnou fyzikální podstatu mají i jevy, které nejsou viditelné okem• Infračervená

• Ultrafialová optika

• Rentgenová optika

Fyzika 3, Optika a atomistika, úvod 2

Optika má velký význam ve vědě i

technice po celou lidskou historii

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

3

Spektrum citlivosti oka je blízké spektru slunečního zářeníSvětlo ze Slunce

- velký význam

pro evoluci lidí

Optika umožnuje zkoumat mikrosvět i

Vesmír

Teleskopy – pozorování okolního

vesmíru

Mikroskopie - Zkoumání

mikrosvěta

Optika,

světlo, velký

nástroj pro

zkoumání

světa

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

4

METRO WAN

METRO WAN

TRANS-

OCEANIC

V

Technologické revoluce v optice

Optické

komunikace

Zápis a

uchovávání dat

Přesné laserové

opracování

Medicína

Blu-ray disc (25GB)CD/DVD

Telephony/data/internet

Laser cutting

Laser writing on

human hair Photolithography for manufacture

of computer chips

Corrective laser eye surgery 3-D laser imaging of cell

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

5

Vojenská výstroj Bezpečnostní systémy

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

6

•Pokrok v oblasti optiky, atomové fyziky a hlavně částicové fyziky je v poslední době veliký

• Svědčí o tom i Nobelovy ceny za fyziku, udělené v posledním desetiletí

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

7

The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory and the first direct observation of gravitational waves

• The Nobel Prize in Physics Rainer Weiss, Barry C. Barish and Kip S. Thorne "for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves".

Fyz

ika

1 úv

od

8

2017 Nobel Prize In Physics

• David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane and J. Michael Kosterlitz "for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter"

Fyz

ika

1 úv

od

9

2016 Nobel Prize In Physics

Strange phenomena in matter’s flatlands

Tajemné kvantové skoky

2015 Nobel Prize In Physics

Fhe Nobel Prize in Physics 2015 was awarded jointly to Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald "for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

10A. Mahmoud

Takaaki Kajita

Arthur B. McDonald

2014 Nobel Prize In Physics

The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

11

OIL LAMP (approx. 15 000 B.C.) 0,1 lm/WLIGHT BULB (19th century) ) 16 lm/WLED FLUORESCENT LAMP (20th century) 70 lm/W LED (21st century) 300 lm/W

LED lamps require less power to emit light than the older light sources.

2013 Nobel Prize In Physics

The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to François Englert and Peter W. Higgs "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

12

2012 Nobel Prize In Physics

Serge Haroche and David J. Wineland

For ground-breaking experimental methods that enable

measuring and manipulation of individual quantum systems

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

13

2011 Nobel Prize In Physics

Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, Adam G. Riess

For the discovery of the accelerating expansion of the Universe

through observations of distant supernovae

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

14

2010 Nobel Prize In Physics

Andre Geim, Konstantin Novoselov

For groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material

graphene

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

15

2009 Nobel Prize In Physics

"for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication"

"for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

16

2008 Nobel Prize In Physics

"for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

17

2007 Nobel Prize In Physics

"for the discovery of Giant Magnetoresistance"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

18

2006 Nobel Prize In Physics for their discovery of the blackbody form and

anisotropy of the cosmic microwave background radiation"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

19

2005 Nobel Prize In Physics "for contribution to the quantum theory of optical coherence"

"for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

20

2004 Nobel Prize In Physics

"for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction"

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

21

Nobel Prize In Physics

Sources of all pictures: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

22

Aktivity katedry fyziky

•Piezoelektrické materiály

•MEMS - zkoumání tenkých vrstev

• Interferometrie

•CERN

•Compass

•OSQAR

• ELI

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

23

Katedra fyziky TULMateriálový výzkum piezoelektrických materiálů

•

V piezoelektrických laboratořích se zkoumají materiálové vlastnosti piezoelektrických látek, připravují se i piezoelektrické součástky, např. transformátory založené na piezoelektrickém jevu.

Experimentální studium piezoelektrických, dielektrických a elastických vlastnostímonokrystalů, polykrystalických a kompozitních materiálů

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

24

Interferometrie

V laboratoři laserové interferometre se měří amplitudy vibrací piezoelektrických vzorků až s přesností 10-12 m.

Fyz

ika

3, O

ptik

aa

atom

isti

ka,

úvo

d

25

CERN European Organization for Nuclear Research

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

26

Large HadronCollider

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

27

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

28

COMPASS(COmmonMuonProtonApparatus forStructure andSpectroscopy)

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

29

Pohled do haly experimentu Compass

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

30

Detekce částic pomocí detektoru RICH(Ring Imaging Chereknov Counter)

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

31

RICH – princip

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

32

Příspěvky k celkovému spinu protonu

• naive QPM: only valence quarks

• QCD: sea quarks and gluons

• orbital angular momentum:

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

33

Spolupracujeme na vývoji nových detektorů Čerenkovovazáření, hlavně na přípravě a výrobě nových optických prvků

Návrh a konstrukce křemenného teleskopu, promítajícího fotony na mnohokanálové fotonásobiče

Montáž části detektoru Čerenkovova záření

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

34

Hledání axiónů - experiment OSQAR

Axiony jsou předpověděné částice, které by mohly tvořit i část dosud neobjevené temné hmoty. Fotony mají podle teorie reagovat s magnetickým polem a přeměnit se v axiony. Ty mohou projít překážkou a následně se zpětně přeměnit v magnetickém poli v fotony. Světlo by tedy mohlo „svítit skrz zeď“. Na obrázku je argonový laser, svítící do náhradního magnetu, určeného pro urychlovač LHC v CERN.

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

35

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

36

ELI (Extreme Light Infrastructure): projekt nejvýkonnějšího laseru na světě pro výzkum a vývoj technologií

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

37

ELI: intenzita v ohnisku

>5x1024 Wcm-2

ELI = Slunce vyzařující veškerý svůj výkon (4x1026 W) z plochy cca 10x10 cm

Ultrakrátké laserové pulsy: rekordní výkon

ELI: První laser exawattové třídy na světě (EW = 1018 W)

Femtosekundové lasery: revolučně nové zdroje částic a rtgzáření

Světelný puls5 femtosekund = 5x10-15 s

Délka pulsu v prostoru = 1.5 µm

ElektronyProtony

Nabité částice

Rentgenové zářeníUV záření

Gama záření

• Fundamentální výzkum v ultrarelativistém režimu interakce laseru s hmotou

• Aplikace v materiálovém výzkumu, medicínském výzkumu, biologii, atd.

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

38

Spolupráce KFY v dalších oblastech -Nanotechnologie a optika• Nanotechnologie představují obecně vědní obor, zabývající se

záměrným vytvářením a využíváním částic a struktur v měřítku 1 nm až 100 nm (10-9 až 10-7 metru. Nanostruktury jsou dostatečně maléna to, aby se v nich mohly uplatňovat kvantové jevy.

• Nanovlákna – zkoumání optických nanovláken

• Laboratoř laserové anemometrie –

měření rychlostní profilů proudění

• Laboratoř Optických Metod Měření

holografická měření deformací

Optika a částicová fyzika – velmi důležité pro rozvoj všech oborů

• Optika je velmi užitečný nástroj pro studium nanomateriálů – je to metoda, která nepoškodí materiál

• Zároveň je možné použít optické paprsky pro manipulaci s nanomateriály -např. optická pinzeta ÚPT Brno

• Částicová fyzika (fyzika vysokých energií) – zkoumá fundamentální fyzikální zákony

Fyz

ika

3, O

ptik

a a

atom

isti

ka,

úv

od

40

Spolupráce v dalších oblastech Nanotechnologie TUL

• Nanovlákna

Spolupráce s Ústavem fyziky plazmatu AV ČR, TOPTEC Turnov

• Nanovlákna s nanoabrazivy pro velmi jemné leštění optických povrchů

• Optická ultrapřesná měření indexu lomu, dvojlomu, vývoj přístroje pro měření asférických ploch

• Vývoj optických nedifraktivních svazků

Crytur Turnov - scintilační a laserové krystaly

SQS Nová Paka – optická vlákna

Fyz

ika

1 úv

od

41