Działalność naukowo-badawcza

Najważniejsze tematy działalności naukowej Wydziału to badania podstawowe i aplikacyjne w takich dziedzinach jak fizyka ciała stałego, fizyka jądrowa oraz fizyka środowiska, fizyka medyczna, a także rozwój metod numerycznych i obliczeniowych, w różnych zastosowaniach.

Katedra Fizyki Ciała Stałego

Problematyka naukowa katedry koncentruje się na badaniu właściwości strukturalnych, magnetycznych i elektronowych warstw i układów wielowarstwowych o grubościach nano- i sub-nanometrowych, związków międzymetalicznych ziemia rzadka-metal przejściowy 3d i ich roztworów międzywęzłowych z wodorem, azotem i węglem, nadprzewodników nisko- i wysokotemperaturowych oraz tlenków magnetycznych, tlenków magnetooporowych i nanocząstkowych materiałów magnetycznych oraz materiałów metalicznych nieuporządkowanych.

Aparatura naukowa będąca w posiadaniu Katedry obejmuje m.in.:

• Zestaw do preparatyki cienkich warstw metodą epitaksji z wiązki molekularnej oraz badań ich własności metodami LEED, AES, MOKE i CEMS z możliwością transferu próbek w ultrawysokiej próżni,
• spektrometr ARUPS-XPS
• magnetometr wibracyjny VSM,
• susceptometr AC,
• spektrometr ESR,
• układ do pomiarów magnetooporu z chłodziarką helową,
• układ do pomiarów ciepła właściwego w zakresie 2-300 K,
• dyfraktometr rentgenowski z regulacją temperatury 2-450 K,
• zestaw do pomiarów własności fizycznych (PPMS-Quantum Design) w zakresie 2-400 K (VSM: 2-1100 K) z magnesem nadprzewodzącym 0-9 Tesli i skraplarką helową w obiegu zamkniętym,
• 4 spektrometry moessbauerowskie (6 izotopów) 4-1000 K,
• protonowy spektrometr-relaksometr NMR 15 MHz,
• spektrometr NMR do badań materiałów magnetycznych 5-1000 MHz z chłodziarką helową 2-300 K.

Wiele eksperymentów jest prowadzonych przez pracowników Katedry na "wielkich urządzeniach badawczych", w laboratoriach synchrotronowych, czy neutronowych, takich jak ESRF i ILL w Grenoble, HASYLAB w Hamburgu, czy ELETTRA w Trieście.

Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki

Obecna struktura Katedry Fizyki Medycznej i Biofizyki datuje się z września 2009. W Katedrze znalazła sie część (poprzedniego) Zakładu Metod Jądrowych, tworząc Zespół Badań Biomedycznych i Środowiskowych. Także, m. in. w wyniku przejścia na emeryturę prof. Marty Wasilewskiej-Radwańskiej, zespół Obrazowania Rezonansu Magnetycznego połączył się z zespołem Obrazowania i Modelowania Biomedycznego, tworząc nowy zespół Obrazowania i Modelowania, pod kierunkiem prof. Henryka Figla. Profil działalności naukowej tego zespołu jest kontynuacją poprzednich tematyk badawczych połączonych grup.

Nasze zainteresowania badawcze koncentrują się na dwóch obszarach: (1) fizyce ciała stałego oraz (2) fizyce bio-farmako-medycznej. Jeżeli chodzi o badania w pierwszym temacie to są one skoncentrowane nad studiami - teoretycznymi i doświadczalnymi - różnych własności fizycznych fazy sigma w binarnych stopach (np. FeCr, FeV, CoCr), a także własności dynamicznych poli- i nanokrystalicznych bcc stopów Fe-Cr, z użyciem różnych technik doświadczalnych (n.p. spektroskopia Moessbauerowska, Jądrowy Rezonans Magnetyczny, dyfrakcja neutronów, magnetometria) oraz modeli teoretycznych (n.p. metoda funkcji Greena Korringa-Kohna-Rostokera). W temacie drugim, interesują nas głównie postacie i własności żelaza, znajdującego się w próbkach organicznych (n.p. ferrytyna), a także w materiałach farmakologicznych (lekach) i innych materiałach o zastosowaniach medycznych.

Badania w dziedzinie Obrazowania Rezonansu Magnetycznego koncentrują się na problematyce układów nisko-polowych na magnesach stałych. Inne kierunki badań to problemy związane z radio- i fototerapią czerniaka złośliwego, a także opis procesów biologicznych z udziałem wolnych rodników. Oba te tematy obejmują zarówno badania doświadczalne jak i teoretyczne. Zespół zajmuje się również opisem matematycznym wybranych procesów fizjologicznych. W szczególności, wykorzystywane jest modelowanie kompartmentowe do opisu pozaustrojowej terapii wątroby. Zespół zajmuje się także obrazowaniem i kontrolą jakości w medycynie nuklearnej. W zakresie tej tematyki powstają projekty i konstrukcje fantomów, umożliwiających badania statyczne i dynamiczne. Zespół zajmuje się także obrazowaniem medycyny nuklearnej, a także procedurami kontroli jakości (Quality Assurance - QA). W tej tematyce powstają projekty i realizacje fantomów, umożliwiających statyczne i dynamiczne.

Zespół Badań Biomedycznych i Środowiskowych zajmuje się rozwojem i zastosowaniem jądrowych metod analitycznych i badawczych układów dynamicznych. Głównymi kierunkami są tutaj badania biomedyczne, środowiskowe, a także badania w kontekście ochrony dziedzictwa kulturowego. W szczególności, badana jest rola biomodulatorów w mechanizmach biochemicznych, odpowiedzialnych za powstawanie i rozwój różnych schorzeń neurodegeneracyjnych, takich jak glejaki pnia mózgu, czy epilepsja. Mikroobrazowanie chemiczne, na poziomie pierwiastkowym i cząsteczkowym, opiera się na technikach wykorzystujących promieniowanie synchrotronowe, na przykład technice SRXRF (synchrotron radiation X-ray fluorescence), absorpcji promieniowania X w pobliżu progu absorpcji (XANES - Near Edge X-ray Absorption Fine Structure), spektroskopii wykorzystującej strukturę subtelną blisko progu absorpcji (EXAFS - extended X-ray absorption fine structure spectroscopy) oraz synchrotronowej mikrospektroskopii w podczerwieni z transformatą Fourier'a (FTIR - Fourier Transform Infrared).

Zespół Biofizyki Molekularnej i Bioenergetyki został założony w listopadzie 2008 roku Zainteresowania naukowe Zespołu koncentrują się na badaniach procesów bioenergetycznych na poziomie molekularnym, które dotyczą następujących zagadnień:

• transportu elektronów w fotosystemie II i w bakteryjnych centrach reakcji (szczególny nacisk położony jest na badania wpływu metali ciężkich oraz wyjaśnienie roli żelaza niehemowego w tym procesie);
• wydzielania tlenu w procesie fotosyntezy;
• badaniach struktury, organizacji i własności fizykochemicznych natywnych i modelowych układów białkowo-lipidowych;
• ochronnej i strukturalnej funkcji karotenoidów w natywnych i modelowych kompleksach fotosyntetycznych;
• badaniach własności fizycznych (topografii, elastyczności, adhezji) zdrowych i patologicznych komórek i ich organelli oraz określeniu wpływu wybranych bodźców na właściwości komórek obu rodzajów;
• analizie wpływu własności mechanicznych biopolimerów na podstawowe, życiowe funkcje komórek takie jak migracja, proliferacja, adhezja;
• badaniach wpływu promieniowania jonizującego i jonów metali na stabilność błon erytrocytów ludzkich;
• charakterystyce fizycznej i chemicznej nanorurek węglowych.

Katedra Fizyki Materii Skondensowanej

Działalność naukowa Katedry skoncentrowana jest w pierwszym rzędzie na:

• Analizie własności i symetrii wybranych faz struktur uporządkowanych.
• Badaniach struktur aperiodycznych.
• Procesach deformacji, rekrystalizacji i naprężeń w różnych materiałach.
• Strukturze elektronowej ciała stałego. state
• Badaniach polimerów.
• Teorii niepewności pomiarów.

Katedra Informatyki Stosowanej i Fizyki Komputerowej

Katedra prowadzi badania w kilku kierunkach; tu zamieszczamy krótki opis tematyki naukowej Zespołu Układów Złożonych. Część tej tematyki jest realizowana we współpracy z Katedrą Fizyki Materiałów na Uniwersytecie Kraju Basków w Hiszpanii. Dotyczy ona modelowania pola rozproszonego mikroskopowych drutów amorficznych, charakteryzujących się złożoną strukturą domenową. Modelowania dotyczą specyfiki procesu remagnetyzacji takich drutów, wynikającej z ich bistabilności.

Inny temat, to modelowanie procesów socjologicznych, w oparciu o założenia i prawa teorii gier. Od roku 2009, ta tematyka jest realizowana w ramach 7. Programu Ramowego UE, dotyczącego zastosowania teorii złożoności do opisu układów socjo-technicznych. Nasz wkład do projektu bazuje na naszych wcześniejszych doświadczeniach związanych z automatami komórkowymi i sieciami złożonymi i stanowi rozszerzenie i kontynuację tych badań.

Nową tematykę Katedry stanowi biometria - zastosowanie technik informatycznych, a w szczególności metod rozpoznawania obrazów do identyfikacji i weryfikacji cech osobniczych u ludzi.

Katedra Oddziaływań i Detekcji Cząstek

Działalność naukową Katedry można podzielić na trzy główne obszary:

• badania podstawowe elementarnych składników materii i ich oddziaływań w zderzeniach cząstek przy wysokich energiach,
• projektowanie i konstrukcja detektorów i współpracującej z nimi elektroniki dla eksperymentów fizyki wysokich energii i innych,
• rozwój technik pomiarowych dla eksperymentów neurobiologicznych (neuroscience) oraz badanie interfejsów pomiędzy układami elektronicznymi a żywymi tkankami nerwowymi.

Eksperymenty fizyki wysokich energii należą do długofalowych i bardzo kosztownych badań. Ze względu na olbrzymi koszt urządzeń pomiarowych sa one przeprowadzane w bardzo szerokiej współpracy międzynarodowej. Udział zespołu w takich eksperymentach jest bardzo kompletny i pokrywa praktycznie wszystkie fazy projektów: przygotowanie programu badań, projekty i konstrukcja aparatury eksperymentalnej, analiza zebranych danych, a także obsługa i ciągły rozwój układów detekcji. W chwili obecnej, zespół uczestniczy w analizie i interpretacji danych z trzech eksperymentów:

• ATLAS na LHC,
• LHCb na LHC,
• STAR na RHIC,

w których zderzane są wiązki protonów i/lub ciężkich jonów przy różnych energiach w układzie środka masy.

Równolegle, realizowane są programy naukowo-badawcze związane z rozwojem nowych technologii detektorów, pod kątem usprawnienia rozwiązań stosowanych w eksperymencie ATLAS, a także zastosowania tych nowych technologii w Międzynarodowym Zderzaczu Liniowym (ILC - International Linear Collider). Istotny obszar działalności grupy jest związany z elektroniką front-end do odczytu detektorów pozycjo-czułych z zastosowaniem specjalizowanych układów scalonych (ASIC - Application Specific Integrated Circuits). Katedra jest członkiem europejskiej organizacji EUROPRACTICE, oferującej dostęp do narzędzi CAD i wykonywania układów prototypoych w zaawansowanych technologiach półprzewodnikowych. Zespół zajmuje się technikami odczytu dla następujących problemów detekcji:

• detektory torów częstek dla eksperymentów fizyki wysokich energii, na bazie krzemowych detektorów paskowych,
• detektory dla obrazowania promieniowania X, na bazie krzemowych detektorów paskowych ,
• detektory dla obrazowania neutronowego, na bazie mikro-paskowych komorach gazowych (Micro Strip Gas Chambers - MSGC),
• detektory dla cząstek naładowanych i dla obrazowania promieniowania X, na bazie gazowych powielaczy elektronowych (Gas Electron Multipliers - GEM).

Szczególny obszar badań stanowią uszkodzenia radiacyjne w przyrządach półprzewodnikowych i obwodach elektronicznych. Uszkodzenia radiacyjne w elektronice front-end stanowią zasadnicze ograniczenie dla jakości danych zbieranych z detektorów i determinują czas życia eksperymentów fizyki pracy elektroniki fizyki wysokich energii.

W obszarze neurobiologii (neuroscience) zajmujemy się rozwojem układów scalonych dla obrazowania nerwowych aktywności elektrycznej żywych komórek nerwowych. Wspólny cel wielu projektów badawczych sprowadza się tu do opracowania metody dwustronnej komunikacji pomiędzy żywymi neuronami i obwodami elektronicznymi. Taka metoda oparta jest na elektrycznej stymulacji neuronów z wykorzystaniem różnych rozkładów przestrzenno-czasowych sygnałów stymulujących, z jednoczesną rejestracją sprowokowanych reakcji neuronów. Rozwijane układy doświadczalne oparte są na układach matryc wieloelektrodowych oraz układach ASIC. We współpracy z różnymi ośrodkami naukowymi prowadzimy badania nad dedykowanymi układami pozwalającymi badać różne tkanki nerwowe, między innymi siatkówkę oka, tkanki różnych obszarów mózgu i kory mózgowej.

Katedra Zastosowań Fizyki Jądrowej

Katedra Zastosowań Fizyki Jądrowej składa się z trzech zespołów badawczych: (i) Zespołu Fizyki Środowiska, (ii) Zespołu Metod Jądrowych i (iii) Zespołu Fizyki Materiałów Funkcjonalnych. Badania naukowe prowadzone w Katedrze obejmują wybrane zagadnienia fizyki jądrowej w kontekście jej zastosowań takich jak nauki o środowisku, nauka o materiałach, a także przemysłowe aplikacje metod jądrowych. Katedra i jej zespół sprawuje opiekę merytoryczną nad dwoma specjalnościami nauczanymi, w ramach kierunku Fizyka Techniczna, na studiach drugiego stopnia Wydziału, a poprzedzonymi analogicznymi kierunkami dyplomowania na studiach pierwszego stopnia.

Aparatura naukowa będąca w posiadaniu Katedry obejmuje m.in.:

• Chromatografy wyposażone w detektory FID, ECD i PDHID do pomiaru stężeń gazów śladowych w atmosferze;
• spektrometry mas wraz z liniami preparacyjnymi do pomiaru stosunków izotopowych pierwiastków lekkich (H, C, O, N) w różnych matrycach;
• system do pomiaru aktywności naturalnych i sztucznych nuklidów gamma-promieniotwórczych w próbkach stałych i ciekłych z wykorzystaniem spektrometrii gamma;
• spektrometry ciekło-scyntylacyjne do pomiarów niskich aktywności izotopów promieniotwórczych (³H, ¹⁴C, ⁹⁰Sr, ²¹⁰Pb, ²²²Rn, izotopy uranu i radu);
• układ do syntezy materiałów w łuku elektrycznym;
• aparaturę do otrzymywania monokryształów metodą Czochralskiego;
• układy do pomiarów parametrów elektrycznych i magnetycznych materiałów;
• stanowisko pomiarowe z izotopowym źródłem neutronów do pomiarów parametrów neutronowych materiałów.