Teorie optiky materiálů
Ultrarychlé děje v materiálech jsou důsledkem interakcí mezi mnoha podsystémy (elektrony, díry, fotony, pohyb atomových jader, oscilace elektronových spinů, …), které představují tak velmi složitý systém, o jehož mikroskopický popis usilujeme. Nalezení klíčových mikroskopických interakcí, které určují odezvu látky na vnější podněty, pak umožňuje např. vytvoření zjednodušených modelů, vhodných pro rychlé předpovědi chování podobných materiálů. Teoretická analýza také umožňuje navrhnout experiment pro měření konkrétních mikroskopických parametrů dané třídy materiálů nebo dokonce navrhnout funkční prototyp elektronické/optické součástky. Teorie v neposlední řadě velmi pomáhá při analýze experimentálních dat, např. numerickými simulacemi pohybových rovnic se zadanými parametry. V naší teoretické skupině, vedené Tomášem Ostatnickým, se zaměřujeme na popis jevů spojených s interakcí elektromagnetického pole a elektronových systémů a věnujeme se hlavně následujícím tématům:
Terahertzová optika (nejenom) nanosystémů
Popis dynamiky elektronů v terahertzovém poli (frekvence oscilací elektromagnetické vlny je řádově 1 THz, vlnová délka je tedy 300 μm) je z komplikovaný faktem, že doba mezi dvěma rozptyly elektronu např. na příměsích v materiálu nabo mezi elektrony navzájem je srovnatelná s periodou oscilace elektromagnetického pole, kterým materiál sledujeme. Pohyb elektronů proto nemůžeme považovat ani za přibližně periodický ani za korelovaný s polem. To nám v modelech neumožňuje využít běžné aproximace známé z teorie optiky ani elektronového transportu, a je třeba vytvářet přesnější (a komplikovanější) kvantové modely šíté na míru konkrétnímu systému.
Jedním ze systémů, kde můžeme pozorovat významné odchylky od optických/transportních předpovědí, jsou nanokrytaly. Elektrony v nich oscilují mezi protilehlými stěnami na frekvencích právě v řádu desetin až desítek THz, což je možné pozorovat ve spektrech THz absorpce jako izolované rezonance. Vznik takovýchto rezonancí je charakteristický pro jakoukoliv nanostrukturu a naším cílem je předpovědět, za jakých podmínek jsou tyto rezonance pozorovatelné, jaké mají spektrum, případně přímo analyzujeme experimentální výsledky.
Magnetooptika a spintronika
Vliv magnetizace materiálů (makroskopického uspořádání elektronových spinů) na optickou odezvu materiálu není nijak silný, protože elektromagnetické pole neinteraguje přímo s elektronovým spinem. Přesto je možné projevy magneto-optické interakce v reálných systémech pozorovat a optické metody jsou ve spintronice velmi přínosné díky jejich vysokému časovému a prostorovému rozlišení a jejich vysoké přesnosti. Úkolem pro naši teoretickou skupinu je pak přímá podpora skupiny optospintroniky s cílem návrhu experimentů, analýzy dat a dalších podpůrných výpočtů.
Aplikované optika
Ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou UK se věnujeme teoretické analýze biologických tkání, které produkují jasné zbarvení zejména kůže ještěrů. Kůže obsahuje několik druhů buněk s podílem uspořádaných nebo neuspořádaných strukturních prvků (nanokrystalky, organely vyplněné barvivy), které se mohou chovat podobně jako fotonický krystal nebo podobný fotonický prvek. Tím produkují ve spektru odraženého i prošlého světla velmi jasné barvy, typické pro daný živočišný druh. Naše skupina se podílí na vytvoření metody pro odhad barvy kůže ze znalosti její mikroskopické stavby. Tyto informace jsou dále využity v biologickém výzkumu při určování mezidruhových variací.
