AsÚ
Výzkum blízkého i vzdáleného vesmíru pomocí pozorovatelských i teoretických metod. Hlavními oblastmi výzkumu jsou Slunce, sluneční aktivita a kosmické počasí; meziplanetární hmota, především asteroidy a meteoroidy, a její interakce se zemskou atmosférou; gravitační pole, rotace a atmosféra Země; hvězdy a hvězdné soustavy, především pak horké hvězdy raných spektrálních typů; kosmické zdroje rentgenového a gama záření včetně aktivních galaktických jader a černých děr; galaxie, mezihvězdná látka a tvorba hvězd.

FzÚ
V oblasti kondenzovaných systémů a materiálového výzkumu je výzkum zaměřen na krystalické a amorfní látky, slitiny, kapalné krystaly, polymery, nanostruktury a vrstvy různých materiálů. V oblasti elementárních částic se získávají nové poznatky o vlastnostech, struktuře a interakcích hmoty na fundamentální úrovni a o jednotné teorii základních sil v přírodě. V rámci mezinárodních spoluprací Fyzikálního ústavu jsou na urychlovačích v CERN, DESY a FERMILAB prováděny experimenty se srážkami hadronů, leptonů a fotonů při vysokých energiích. Ve fyzice plazmatu se zkoumá laserové plazma jako zdroj koherentního a nekoherentního Rentgenova záření a mnohonásobně nabitých iontů s důrazem na využití laserového plazmatu jako aktivního prostředí rentgenových laserů. V klasické optice se vyvíjejí nové zobrazovací systémy, včetně oblasti rentgenové optiky a spektrometrie, a laserové prvky.

ÚJF
Experimentální a teoretický výzkum v oblasti jaderné fyziky, výzkum v teoretické subjaderné fyzice a matematické fyzice, materiálový výzkum neutronovou difrakcí, vývoj a použití jaderných analytických metod v různých oblastech, výzkum a vývoj radiofarmak, výzkum v dosimetrii ionizujícího záření včetně biofyzikálních aspektů, vývoj urychlovací techniky.

MÚ
Matematický ústav je nejvýznamnějším neuniverzitním pracovištěm v ČR provádějícím špičkový výzkum v matematice (včetně teoretické informatiky). Ústav intenzivně spolupracuje s domácími i zahraničními akademickými pracovišti, významně přispívá k udržení vysokého standardu matematického výzkumu v ČR a předává moderní matematické poznatky, myšlení a metody společnosti prostřednictvím aplikací a vzdělávání. Hlavní činností MÚ je vědecký výzkum v oblastech matematiky a jejích aplikací a zajišťování infrastruktury výzkumu.

ÚI
Předmětem hlavní činnosti Ústavu informatiky AV ČR, v.v.i., je vědecký výzkum v oblasti informatiky (počítačových věd), zejména matematických základů informatiky, výpočetních metod, umělé inteligence, modelů architektur počítačů, výpočetních a informačních systémů a aplikací počítačových věd v souvisejících interdisciplinárních oblastech.

ÚTIA
Ústav je pracoviště s převažujícím teoretickým zaměřením. Výzkumné aktivity jsou soustředěny na vědy o řízení, informační vědy, digitální zpracování signálu a obrazu, rozpoznávání objektů, metody zpracování dat a optimalizační metody. Některé badatelské výsledky obecné povahy otevírají aplikační možnosti a ústav jejich realizaci podporuje spoluprací s mimoakademickými partnery Ústav je rovněž vydavatelem mezinárodního časopisu Kybernetika, který vychází 6x ročně v anglickém jazyce a podporuje vydávání časopisu Bulletin České ekonometrické společnosti.

Seznam anotací:

1. Spektrum a polarizace aktivních galaxií (Astronomický ústav)
2. Populace binárních asteroidů: Moment hybnosti (Astronomický ústav)
3. Impaktní polarizace ve slunečních erupcích (Astronomický ústav)
4. Korelace kosmického záření nejvyšších energií s blízkými extragalaktickými objekty (Fyzikální ústav)
5. Mřížková dynamika v magnetoelektrických materiálech a jejich magnetoelektrický efekt (Fyzikální ústav)
6. Magnetismus v magnetoelectrickém hexaferitovém systemu (Ba_1-xSr_x)₂Zn₂Fe₁₂O₂₂ (Fyzikální ústav)
7. Kvantové kopírování (Fyzikální ústav)
8. Vytváření ultrahustého plazmatu typu Warm Dense Matter pomocí fokusovaného svazku unikátního rentgenového laseru a proměření parametrů tohoto plazmatu (Fyzikální ústav)
9. Zředěný feromagnetický polovodič n-typu Li(Zn,Mn) As (Fyzikální ústav)
10. Nová metoda pro chemickou identifikaci jednotlivých atomů na povrchu pevných látek (Fyzikální ústav)
11. Vázané stavy antikaonů v jádře (Ústav jaderné fyziky)
12. Nalezeno význačné převýšení teoretické předpovědi výtěžku di-elektronů v oblasti pod hmotností rho a omega mezonů (Ústav jaderné fyziky)
13. Studium anomálního chování krystalu LiTaO₃ při přípravě vlnovodných struktur pro optiku analytickými metodami využívající iontové svazky a srovnání s krystalem LiNbO₃ (Ústav jaderné fyziky)
14. Silná řešení stochastických vlnových rovnic s hodnotami v Riemannovských varietách (Matematický ústav)
15. Aktualizace předpodmínění pro řešení sekvencí rozsáhlých nesymetrických lineárních soustav (Ústav informatiky)
16. Autopoietické automaty: Složitostní otázky vývojového procesu produkujícího potomky (Ústav informatiky)
17. Detekce kauzality v analýze časových rad pomocí informačně-teoretických přístupů (Ústav informatiky)
18. Model fotosyntézy a fotoinhibice a jeho identifikace metodou harmonického buzení (Ústav teorie informace a automatizace)
19. Podpora objektivního vyhodnocování návrhů výzkumných projektů (Ústav teorie informace a automatizace)
20. Extrémní komprese a realistické modelování vizuálních vlastností povrchů materiálů (Ústav teorie informace a automatizace)

Aktivní galaxie představují velmi zajímavou kategorii objektů. Jejich záření je velmi intenzivní, má výrazně netermální charakter a je proměnné na různých časových škálách. Vzniká akrecí hmoty na centrální velmi hmotnou černou díru (viz obrázek). Spektrální a spektro-polarimetrické studie umožňují stanovit geometrickou strukturu jednotlivých složek aktivní galaxie a poskytují informaci o orientaci jejího jádra v prostoru vzhledem k pozorovateli.
Skupina autorů vedená R. W. Goosmannem z Astronomického ústavu AV ve spolupráci se zahraničními spolupracovníky publikovala v uplynulých dvou letech sérii prací zabývajících se detailními spektrálními vlastnostmi těchto objektů včetně jejich polarizace. Z těchto prací vybíráme tři nejpodstatnější články, které uveřejnil evropský astronomický časopis Astronomy and Astrophysics v roce 2007.
V publikovaných pracích se rozvíjí metoda, která využívá maximální množství informace v aktuálně dostupných spektrech v rentgenovém a ultrafialovém oboru. Autoři studují vzájemná časová zpoždění různě energetických fotonů svědčící o postupné přeměně jednotlivých složek záření a rozebírají efekty polarizace, jež prokazují přítomnost odrazu a rozptylu fotonů na toroidálních a diskovitých strukturách obklopujících centrální černou díru. Tyto postupy umožňují stanovit vlastnosti černé díry a upřesňují geometrii aktivního jádra. Konkrétní příklad je aplikován na Seyfertovu galaxii MCG-6-30-15, jejíž pozoruhodné vlastnosti jsou předmětem intenzivního výzkumu především metodami rentgenové astronomie.
Goosmannův výzkum byl podpořen několika akademickými projekty a probíhá v široké mezinárodní spolupráci s vědci z Koperníkova astronomického centra v Polsku, observatoře Paris-Meudon a laboratoře APC ve Francii a na univerzitě v americkém Texasu.

Ilustrace jádra aktivní galaxie

Goosmann, R. W., Mouchet, M., Czerny, B., Dovčiak, M., Karas, V., Różańska, A., Dumont, A.-M.: Iron lines from transient and persisting hot spots on AGN accretion disks. – Astronomy and Astrophysics 475, 1: 155–168 (2007)
Goosmann, R. W., Czerny, B., Karas, V., Ponti, G.: Modeling time delays in the X-ray spectrum of the Seyfert galaxy MCG-6-30-15. – Astronomy and Astrophysics 466, 3: 865–873 (2007)
Goosmann, R. W., Gaskell, C. M.: Modeling optical and UV polarization of AGNs. I. Imprints of individual scattering regions. – Astronomy and Astrophysics 465, 1: 129–145 (2007)

Kontaktní osoba: Rene W. Goosmann, 267103119, goosmann@astro.cas.cz; Vladimír Karas, 267103045, vladimir.karas@cuni.cz; Michal Dovčiak, 267103045, dovciak@astro.cas.cz

Binární systémy mezi asteroidy v blízkém i vzdálenějším okolí Země jsou známy teprve několik let. Jejich populace je natolik významnou součástí bezprostředního okolí naší planety, že si zasluhuje důkladné studium. Naším cílem je popsat tuto populaci a zjistit mechanismy jejího vzniku a vývoje. Poznání této populace binárních asteroidů je nezbytné k pochopení procesů, které mezi blízkozemními asteroidy fungují, a také v budoucnu umožní vyvinout metody odchýlení potenciálně nebezpečných binárních těles.
V předložené práci jsme studovali jednu významnou vlastnost binárních asteroidů, a to jejich momenty hybnosti. Shromáždili jsme data získaná fotometrickou a dalšími technikami z naší observatoře a ze spolupracujících stanic ve světě. Analyzovali jsme je a navrhli teoretické zdůvodnění pozorované distribuce hodnot momentu hybnosti v populaci binárních asteroidů.
Hlavním zjištěním naší práce je, že binární systémy mezi malými asteroidy (s velikostmi do 10 km) jak v okolí Země, tak i v oblasti hlavního pásu asteroidů mají moment hybnosti velmi blízký, ale nepřekračující kritický limit pro tělesa v gravitačním režimu. Tento fakt implikuje, že tyto binární systémy byly zformovány z původních těles rotujících s kritickou frekvencí působením nějakého mechanismu, který původní asteroid rozštěpil nebo uvolnil hmotu z jeho povrchu. Kandidátem na tento mechanismus je tzv. YORP efekt, který roztáčí asteroidy až na hranici nestability. Gravitační interakce asteroidů s terestrickými planetami během jejich těsných průletů nejsou primárním mechanismem formování binárních asteroidů, ale mohou významně ovlivňovat vlastnosti těchto systémů v populaci blízkozemních asteroidů.

Pravec, P., Harris, A.W.: Binary asteroid population 1. Angular momentum content. – Icarus 190,1: 250–259 (2007)

Model soustavy binárního asteroidu

Kontaktní osoba: Petr Pravec, 323620352, ppravec@asu.cas.cz

Do dnešní doby přetrvává kontroverze v otázce existence a původu lineární polarizace spektrálních čar ve slunečních erupcích. Především pak ve vodíkové čáře H-alfa. Pochopení procesů vedoucích k její polarizaci nám může pomoci osvětlit samotný erupční mechanismus a poskytnout vodítka pro jeho diagnostiku.
Mnohá měření v uplynulých 20 letech vedla k závěru, že čára H-alfa vykazuje v erupcích lineární polarizaci 5 až 20 %. Zpravidla je orientována rovnoběžně nebo kolmo k okraji slunečního disku. V rozporu s tím rozsáhlé série měření z poslední doby nepotvrdily existenci polarizace nad úrovní šumu 0,1 %. Pomineme-li systematické chyby měření, nejpravděpodobnější příčinou vzniku polarizace je jev tzv. impaktní polarizace. Ta vzniká v důsledku anizotropních srážek vodíkových atomů s nabitými částicemi, zejména elektrony a protony. Zdrojem těchto částic může být rekonexní oblast magnetického pole ve sluneční koroně.
Autoři provedli revizi dřívějších modelů šíření protonových svazků s typickou energií 100 keV a vytvořili non-LTE model přenosu polarizovaného záření. Oproti dřívějším předpokladům ukázali, že korektní započtení přenosu záření a srážkové depolarizace termálními částicemi vede k zanedbatelným hodnotám polarizace. Protonové svazky jsou tudíž coby kandidát na vysvětlení polarizace vyloučeny. V další fázi práce autoři zkoumali vliv tzv. zpětného elektronového proudu, který vzniká při neutralizaci rychlého (~> 10 keV) elektronového svazku v plazmatu chromosféry. Autoři ukázali, že zpětný proud může být významným činitelem při formování intenzit Balmerových čar. Na základě těchto výsledků se domnívají, že modely zahrnující zpětný proud jsou zatím nejperspektivnějším kandidátem i pro vysvětlení pozorované polarizace.

Štěpán, J., Heinzel, P., Sahal-Bréchot, S.: Hydrogen H-alpha line polarization in solar flares: Theoretical investigation of atomic polarization by proton beams considering self-consistent NLTE polarized radiative transfer. – Astronomy & Astrophysics 465, 2: 621–631 (2007)
Štěpán, J., Kašparová, J., Karlický, M., Heinzel, P.: Hydrogen Balmer line formation in solar flares affected by return currents. – Astronomy & Astrophysics 472, 3: L55–L58 (2007)

Modelové profily čáry H-alfa

Kontaktní osoba: Jiří Štěpán, 323620340, stepan@asu.cas.cz; Jana Kašparová, 323620150, kasparov@asu.cas.cz

Observatoř Pierra Augera oznámila zásadní zjištění o nejenergetičtějších částicích ve vesmíru. Kosmické záření, které observatoř sleduje, totiž dosahuje až stomilionkrát větších energií, než lze vyrobit v pozemských urychlovačích. Takové částice jsou nesmírně vzácné (za 50 let měření jich bylo zaznamenáno jen pár desítek). Augerova observatoř nyní učinila první krok k poznání zdrojů těchto částic prokázáním, že tak energetické částice nepřilétají ze všech směrů stejně: jisté části oblohy jsou preferovány. Nejlepší statistický souhlas je s množinou vybraných aktivních galaktických jader do vzdálenosti 300 miliónů světelných let. Objev zmíněné anizotropie v rozložení zdrojů částic po obloze vede k závěru, že zdroje extrémních částic musíme hledat mezi obvyklými astrofyzikálními objekty. Většina scénářů s exotickou fyzikou vyžaduje rovnoměrné rozložení směrů příchodu částic, což je nyní s vysokou pravděpodobností vyloučeno. Pracovníci FZÚ se na projektu podílejí již od samého počátku v roce 1998. Významně přispěli ke konstrukci části observatoře výrobou segmentů pro 12 z 24 zrcadel fluorescenčních teleskopů, jež tvoří jeden ze dvou typů užívaných detektorů a umožňují sledovat postupný rozvoj spršky v atmosféře. Podíleli na měření fluorescenčního zisku, díky kterému bude možné významně zpřesnit energetickou rekonstrukci částic kosmického záření. S redukcí systematických chyb měření souvisí i další česká aktivita – sledování okamžitého stavu atmosféry a jejích parametrů pomocí robotického teleskopu FRAM vyvinutého ve FZÚ. Podíleli se také na vlastních měřeních v Argentině, na kalibracích, na optimalizaci funkce fluorescenčních detektorů a na fyzikální analýze dat.
Ve FZÚ byly vyvinuty vybrané části elektroniky sběru dat předního a zadního vrcholového detektoru a scintilačního kalorimetru, které měří úhel a energii rozptýleného pozitronu právě v oblasti malých Q2. Pracovníci FZÚ se také podíleli na získávání dat a byli zodpovědní za energetickou kalibraci částí detektoru.

Pierre Auger Collaboration (z FZÚ: M. Boháčová, T. Kárová, P. Nečesal, M. Prouza, J. Řídký, R. Šmída a P. Trávníček): Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects. – Science 318, 58: 938-943 (2007)

Anizotropie kosmického záření nejvyšších energií

Kontaktní osoba: P. Trávníček, 266052666, travnick@fzu.cz

Na základě měření infračervené reflektivity a terahertzové transmise byla určena infračervená odezva polárních fononů a dielektrická permitivita v magnetoelektrických materiálech BiFeO₃ a EuTiO₃ s perovskitovou strukturou v závislosti na teplotě a magnetickém poli. V obou materiálech autoři stanovili dynamiku feroelektrického fázového přechodu a určili roli fononů v dielektrické odezvě a její teplotní anomálii. Zatímco EuTiO3 je tzv. incipientní (počínající) feroelektrikum s klasickým chováním měkkého fononu, který plně zodpovídá za nízkoteplotní dielektrickou anomálii, v BiFeO₃ je za hlavní příspěvek k vysokoteplotní dielektrické anomálii zodpovědný tzv. Maxwellův-Wagnerův jev způsobený rozdílnou elektrickou vodivostí v objemu zrn a na jejich hranici, nebo (v případě monokrystalů) mezi objemem vzorku a elektrodovými vrstvami. Tento jev se projevuje i při velice malé vodivosti dielektrických vzorků. Dále autoři zjistili, že gigantický magnetoelektrický efekt, nalezený nedávno jinými autory v případě BiFeO₃ keramik, je způsoben rozdílnou magnetorezistencí v hranicích zrn a jejich objemu při teplotách přibližně nad 150 K. Při nižších teplotách pak magnetoelektrický efekt prakticky vymizí.

Kamba, S., Nuzhnyy, D., Savinov, M., Šebek, J., Petzelt, J., Prokleška, J., Haumont, R., Kreisel, J.: Infrared and THz studies of polar phonons and improper magnetodielectric effect in multiferroic BiFeO3 ceramics, Phys. Rev. B 75, 024403-1/7 (2007)
Kamba, S., Nuzhnyy, D., Vaněk, P., Savinov, M., Knížek, K., Shen, Z., Maca, K., Sadowski, M., Petzelt, J.: Magnetodielectric effect and optic soft mode behaviour in quantum paraelectric EuTiO₃ ceramics. - Europhysics Letters 80, 27002-1/6 (2007)

Kontaktní osoba: S. Kamba, 26605 2957, kamba@fzu.cz

Hexaferit Ba_0.5Sr_1.5Zn₂Fe₁₂O₂₂ je nově objevená sloučenina vykazující současně magnetismus a feroelektřinu. Existence feroelektřiny je podmíněna přítomností složitého, nekolineárního magnetického uspořádání a směr elektrické polarizace lze snadno ovládat otáčením magnetického momentu vnějším magnetickým polem. Toto, jakož i možnost, že feroelektřina bude přítomna i nad pokojovou teplotou slibuje důležité technické aplikace. Využití magnetoelektrického efektu v tomto hexaferitu však naráží na dva problémy. První potíží je, že systém je částečně elektricky vodivý, přičemž vodivost roste s rostoucí teplotou a znemožňuje pozorování magnetoelektřiny pro teploty vyšší než ≈ 140 K. Druhým problémem je velká citlivost magnetoelektrického efektu k způsobu přípravy. Podstatu obou potíží pomohl objasnit výpočet elektronové struktury. Zabývali jsme se i výpočtem výměnných interakcí a výměnnou energií, která svazuje tzv. „velké“ a „malé“ magnetické bloky. Výsledky ukázaly, že oblast parametrů, umožňující magnetoelektřinu je velmi úzká. Optimální hodnota parametru γ (koncentrace stroncia, 0< x < 1) se pohybuje od 0.42 pro x=0 do 0.6 pro x=1. Důležité je, že optimální hodnota není příliš vzdálena od ½, což odpovídá zcela náhodnému obsazení tetraedrických podmřížek ionty zinku a železa. Takové obsazení by bylo možno dosáhnout tepelnou úpravou vzorku například rychlým zakalením z vysokých teplot. Tato myšlenka je dál studována na našem pracovišti a stala se základem i pro mezinárodní bilaterální česko-japonský projekt.

Knížek, K., Novák, P., Kupferling, M.: Electronic structure and conductivity of ferroelectric hexaferrite: Ab initio calculations. - Phys. Rev. B 73, 153103(1)-153103(4) (2006)
Novák, P., Knížek, K., Rusz, J.: Magnetism in the magnetoelectric hexaferrite system (Ba_1-xSr_x)₂Zn₂Fe₁₂O₂₂. - Phys. Rev. B 76: 024432(1)-024432(6) (2007)

Struktura magnetoelektrického hexaferitu

Kontaktní osoba: P. Novák, 220318532, novakp@fzu.cz

Kvantová mechanika neumožňuje přesné kopírování neznámých kvantových stavů. Nicméně tato skutečnost nevylučuje možnost přibližného kopírování kvantových bitů (q-bitů). Velký zájem o kvantové kopírování pramení především z toho, že jej lze použít jako optimální individuální útok na protokol distribuce kvantového klíče BB84. Ve spolupráci s katedrou optiky Př.F. UP bylo v poslední době v našich laboratořích vyvinuto několik možných schémat určených ke kopírování jednofotonových q-bitů a vybudována postupně čtyři experimentální uspořádání pro symetrické fázově-kovariantní klonování [1, 2]. Experimenty v objemové optice jsou založeny na kopírování polarizačního stavu jednotlivého fotonu s použitím speciálního nevyváženého děliče svazku, nebo s použitím vyváženého děliče doplněného o filtraci stavu. Další experimentální uspořádání využívají vláknovou optiku, kde se informace kóduje do prostorových modů, tj. fotony se mohou šířit současně dvěma optickými vlákny. Přestože nejjednodušší schéma založené na objemovém Machově-Zehnderově interferometru neposkytuje fidelitu klonování nad semiklasickou hranicí, jedná se o schéma velmi flexibilní. Toto schéma bylo pozměněno použitím speciálního děliče svazku, což umožnilo dosáhnout fidelity blízko hranice univerzálního kloneru s vysokým počtem koincidencí. Hranice fidelity pro univerzální kloner byla překročena ve třetím uspořádání díky perfektnímu překryvu prostorových modů v optických vláknech, ovšem s menší pravděpodobností úspěchu. Poslední schéma bylo složeno pouze z vláknových komponent a s jeho pomocí bylo dosaženo nejvyšších fidelit.

Bartůšková, L., Dušek, M., Černoch, A., Soubusta,J., Fiurášek,J.: Fiber-optics implementation of an asymmetric phase-covariant quantum clonek. - Phys. Rev. Lett. 99, 120505 (2007)
Soubusta, J., Bartůšková,J., Černoch,A., Fiurášek,J., Dušek,M.: Several experimental realizations of symmetric phase-covariant quantum cloners of single-photon qubits. - Phys. Rev. A 76, 042318 (2007)

Kontaktní osoba: M. Hrabovský, tel.585 631 501 miroslav.hrabovsky@upol.cz

V experimentu uskutečněném na zařízení PALS byl využit fokusovaný svazek rentgenového laseru ke generaci a studiu vlastností unikátního typu vysoce ionizované hmoty o hustotě pevné fáze, takzvané Warm Dense Matter (WDM). Šlo o první experiment tohoto druhu na světě. Jeho realizace byla umožněna skutečností, že laboratoř PALS disponuje nejsilnějším rentgenovým laserem ve své třídě (energie fotonů cca 60 eV). “Exotická“ hmota typu WDM má vlastnosti ležící na pomezí mezi pevnou fází a plazmatem a lze ji též charakterizovat jako superhusté, relativně chladné plazma (n>10²² cm^-3, T <50 eV) s vysokým stupněm ionizace. Znalost vlastností hmoty typu WDM, zejména transportu zářivé energie, je důležitá například pro astrofyziku extrémně vysokých hustot energií, fyziku kolabujících hvězd a fyziku hmoty tvořící jádro obřích planet. Generování hmoty typu WDM je v laboratorních podmínkách mimořádně obtížné a obvyklé metody generování plazmatu selhávají. V laboratoři PALS jsem ovšem mohli využít impulsy intenzivního rentgenového záření (10¹² Wcm^-2) k ionizaci materiálu tenkých fólií, jež se díky pronikání rentgenového svazku hmotou děje v celém objemu (volumetrický ohřev). Byly zjištěny zásadní rozdíly v transportu měkkého rentgenového záření objemově ionizovaným hliníkem a uhlíkem, výsledky byly interpretovány ve spolupráci s kolegy z Lawrence Livermore National Laboratory, přičemž získaná experimentální data slouží dnes jako standardní testovací data pro numerický model hmoty typu WDM.

Rus, B., et al.: Development and applications of multimillijoule soft X -ray lasers. - Journal of Modern Optics, Volume 54 Issue 16, 2571 (2007)

Generování a detekce horké husté hmoty (WDM)

Transmise XUV záření hliníkem a uhlíkem

Kontaktní osoba: B. Rus, 266052871, rus@fzu.cz

Cílem intenzivního teoretického a experimentálního studia zředěných magnetických polovodičů (DMS) je získání materiálů s kritickou teplotou v oblasti pokojových teplot. To lze docílit v DMS s dostatečnou koncentrací magnetických příměsí a při velké hustotě volných děr ve valenčním pásu, které zprostředkovávají ferromagnetickou interakci. V tradičních DMS typu III-V, např. (Ga,Mn)As, je Curieova teplota limitována omezenou rozpustností Mn a silnou tendencí k self-kompenzaci. Proto jsme navrhli a teoreticky prověřili použití nové třídy DMS získané magnetickým dopováním krystalů I-II-V, representovaných Li(Zn,Mn)As. Vzhledem ke stejné valenci Mn a Zn lze předpokládat dobrou mísitelnost, zatímco koncentraci děr příp. vodivostních elektronů lze ovládat nestechiometrií Li.
V rámci teorie funkcionálu hustoty byly provedeny výpočty formačních energií různých příměsí a defektů, elektronových spekter, výměnných konstant a kritických teplot v širokém koncentračním oboru pro Mn i různé realizace nestechiometrie. Mn snadno substituuje Zn, nestechiometrie Li je realizována atomy Li v Zn podmřížce nebo v intersticiálních polohách. Pro stejné koncentrace Mn a volných nositelů jsou Curieovy teploty Li(Zn,Mn)As a (Ga,Mn)As srovnatelné.
Významným novým rysem Li(Zn,Mn)As je, že na rozdíl od tradičních DMS je v něm ferromagnetismus indukován jak děrami, tak i elektrony. Vysvětlili jsme podstatu dosud neznámého elektronového mechanismu. Práce stimulovala technologické a experimentální studium Li(Zn,Mn)As ve Fyzikálním ústavu a na universitě v Nottinghamu.

Mašek, J., Kudrnovský, J., Máca, F., Gallagher B.L., Campion, R.P., Gregory, D.H., Jungwirth,T.: Dilute moment n-type ferromagnetic semiconductor Li(Zn,Mn)As. - Physical Review Letters 98, 067202 (2007)

Kontaktní osoba: J. Mašek, 26605 2914, masekj@fzu.cz

Mezinárodní tým (Osaka University, Universidad Autonóma de Madrid a Fyzikální ústav AVČR) prokázal kombinací experimentálního měření interakčních sil pomocí DFM (Dynamic Force Microscope), kvantově mechanických výpočtů a jednoduchého analytického modelu možnost chemické identifikace jednotlivých atomů. Výsledky byly presentovány v časopise Nature. Navržený postup byl úspěšně ověřen na polovodičovém povrchu obsahujícím různé chemické prvky. Chemická identifikace jednotlivých atomů, tj. přesné stanovení rozložení jednotlivých chemických prvků na povrchu zkoumaného vzorku pomocí STM a AFM zůstávala dlouhá léta, více než 25 let, nenaplněnou výzvou. Bylo provedeno měření interakčních sil mezi povrchem a hrotem pro různé druhy povrchových atomů i tvary hrotů a bylo ukázáno, že poměr hodnot maximálních atraktivních sil je konstantní a nezávislý na samotném hrotu. Tato nová možnost mikroskopu atomárních sil znásobí již tak velké stávající možnosti uplatnění v oblasti studia katalýzy, povrchů pevných látek, v oblasti nanotechnologií či biologických systémů. Rovněž byla provedena řízená manipulace jednotlivých atomů na povrchu polovodiče při pokojové teplotě pomocí AFM. Na základě teoretických výpočtů byl detailně popsán mechanismus atomární manipulace a faktory (poloha hrotu, interakční síla, teplota) ovlivňující tento proces.

Sugimoto, Y., Pou, P., Abe, M., Jelinek, P., Merita S., Pérez, R., Distance, Ó.: Atomic force microscopy based single-atom chemical identification. - Nature, 446, 64 (2007)
Sugimoto, Y., Jelinek, P., Pou, P., Abe, M., Merita, S., Pérez, R., Distance, Ó: Mechanism for room-temperature single atom lateral manipulations on semiconductors using dynamic force microscope. - Phys. Rev. Lett. 98, 106104 (2007)

Kontaktní osoba: P. Jelínek, 220318430, jelinekp@fzu.cz

Studovali jsme vázané stavy antikaonu v jádrech, a to od nejlehčího systému anti-KNN až po kaonové jádro 208Pb s několika anti-K-mesony. Jako vůbec první jsme provedli 3-částicové výpočty s vázanými kanály anti-KNN-piSigmaN. Nalezli jsme vázaný stav anti-K-pp s energií ~ 55-70 MeV a šířkou ~ 90-110 MeV. Naše výsledky se liší od předcházejících předpovědí a navíc zpochybňují experimenty, ve kterých údajně byly tyto vázané jaderné stavy antikaonu pozorovány. Dále jsem studovali dynamické procesy a kinematické podmínky, které určují rozpadovou šířku vázaných stavů anti-K-mesonu v těžších jádrech. I tyto naše výpočty předpovídají značné šířky jaderných stavů antikaonu. V kaonových jádrech navíc dochází od určitého počtu antikaonů k saturaci jaderné hustoty a separační energie antikaonu.
To má velký význam pro studium struktury neutronových hvězd a pro úvahy o kaonovém kondensátu.

Shevchenko, N.V., Gal, A., Mareš, J., Phys. Rev. Lett. 98: 082301 (2007)
Shevchenko, N.V., Gal, A., Mareš, J., Revai, J., Phys. Rev. C 76: 044004 (2007)
Gazda, D., Friedman, E., Gal, A., Mareš, J., Phys. Rev. C 76: 055204 (2007)

Kontaktní osoba: Jiří Mareš, 266 173 283, mares@ujf.cas.cz

Experimentálně byly studovány srážky těžkých iontů C+C při energiích 1 a 2 AGeV, analýza získaných dat potvrdila výsledky experimentu DLS o nalezení význačného převýšení výtěžků dileptonů nad teoretickými předpověďmi v oblasti invariantních hmotností pod hodnotou hmotností rho a omega mezonů ve vakuu, tj. v oblasti 150-500 MeV/c². Toto převýšení vyžaduje pro svou interpretaci nové přístupy v teoretických modelech relativistických jadro-jaderných srážek a v popisu chování vektorových mezonů v hustém baryonovém prostředí vznikajícím v kolizní zóně.

Agakichiev, G.,..., Kugler, A.,…, Novotný, J.,…, Pleskač, R.,…, Pospíšil, V., …, Taranenko, A., Tlustý, P.,…, Wagner, V. et al.: Dielectron Production in ¹²C+¹²C Collisions at 2A GeV with the HADES Spectrometer. - Phys. Rev. Lett. 98, 052302(2007)
Collisions Studied Using HADES. – AIP Conference Proceedings v. 947, pp. 436-440 (2007). Pietraszko, J.,..., Křížek, F.,..., Kugler, A., Novotný, J., Pleskač, R., Pospíšil, V., Suk, M., Taranenko, A., Tlustý, P., Wagner, V., et al.: Dielectron production in C+ C and p+p collisions with HADES. - Int. J. Mod. Phys. A22: 388-396 (2007)
Przygoda W. for the HADES collaboration (..., Křížek, F.,..., Kugler, A., Pleskač, R., Pospíšil, V.,…, Tlustý, P., Wagner, V.): Dielectron production in C+C collisions at 2 AGeV with HADES. - Nuclear Physics A783 (2007)583c
Markert, J.,…, Křížek, F.,…, Kugler, A.,…, Tlustý, P.,…, Wagner, V., et al.: Dielectron production in C-12+C-12 collisions at 2 A GeV with HADES. - J. Phys. G-Nucl. Part. Phys., 34 (8): S1041-S1045 Sp. Iss. SI AUG 2007
Frohlich, I.,…, Křížek, F.,…, Kugler, A.,…, Tlustý, P.,…, Wagner, V. et al.: Dilepton production in pp and CC collisions with HADES. - Eur. Phys. J. A, 31 (2007) 831-835

Kontaktní osoba: Andrej Kugler, 212 241 685 , kugler@ujf.cas.cz

Monokrystalický materiál LiTaO₃ (LT) byl upraven metodou protonové výměny (PE) a následným žíháním (A). Základem přípravy vlnovodu je zvýšení indexu lomu v lokalizované vrstvě, což může být provedeno protonovou výměnou. V prvním kroku dojde k nadifundování H+ iontů do matrice a v druhém kroku (žíhání) dochází k jejich redistribuci v krystalu. Vlnovodné struktury dosud vytvořené v LT vykazují řadu anomálií ve srovnání s LiNbO₃ (LN), který jsme pro tyto účely zkoumali v předešlých experimentech. Důležitým faktorem pro přípravu kvalitní struktury s optickými vlastnostmi je kromě přímého měření luminiscenčních vlastností také charakterizace chemického složení a struktury připravené vrstvy. Charakterizace připravených struktur jsme prováděli s použitím analytických metod využívajících iontové svazky. Metoda elastického dopředného vyražení částice (ERDA) byla použita pro stanovení hloubkových profilů vodíku ve strukturách LT vystavených různým podmínkám žíhání a protonové výměny. Obsah vodíku se vzrůstajícím časem protonové výměny v LT klesá. Žíhání má výrazný vliv na změny hloubkových profilů vodíku v LT, snižuje se koncentrace na povrchu a vodík se redistribuuje více do hloubky. Propustnost v různých krystalografických směrech krystalu LT pro H⁺ a Li⁺ je výrazně nižší ve srovnání s LN a rovněž se různí míra modifikace krystalické mřížky různých řezů krystalu při stejných podmínkách protonové výměny. Metodou protonové výměny v LT vznikají tenčí modifikované vrstvy ve srovnání s LN, což ukazuje na větší odolnost krystalu LT. Profily Li jsme měřili metodami dopředného rozptylu částic s použitím těžkých iontů (HIERDA) a metodou neutronového hloubkového profilování (NDP). Také množství propagovaných optických módů je v případě LT nižší. Míra modifikace krystalu LT po protonové výměně byla zkoumána metodou zpětného odrazu iontů (RBS-channeling) a metodou rentgenovské difrakce (XRD). Měření metodami HIERDA a XRD jsme realizovali ve spolupráci s Forschungzentrum Rossendorf, Německo.

Salavcová, L., Špirková, J., Ondráček, F., Macková, A., Vacík, J., Kreissig, U., Eichhorn, F., Groetzschel, R.: Study of anomalous behaviour of LiTaO₃ during the annealed proton exchange process of optical waveguide's formation - comparison with LiNbO₃, Optical Materials 29, 7: 913-918 (2007)

Kontaktní osoba: Anna Macková, 266 172 102, mackova@ujf.cas.cz

Vlnové rovnice v klasické podobě popisují přírodní děje, jako například šíření zvukových, elektromagnetických a seismických vln, kmitání strun, vibrování membrán či chvění elastických objektů. Tyto rovnice se ve své čistě matematické podobě objevují i v moderní teoretické fyzice (například v kvantové mechanice, obecné relativitě, Yang-Millsově teorii nebo optice), a zde se nazývají geometrické vlnové rovnice. Jejich výskyt je však již spíše důsledkem fyzikální teorie než popisu jevů podobných vlnění či kmitání tak, jak je známe z klasické teorie. Hlavní rozdíl mezi klasickou vlnovou rovnicí a geometrickou vlnovou rovnicí z matematického hlediska spočívá v tom, že řešení klasické rovnice je funkce s hodnotami v eukleidovském prostoru (například vlna šířící se po hladině oceánu ve třídimenzionálním prostoru), zatímco řešení geometrické rovnice je funkce s hodnotami v křivém prostoru (v tak zvané Riemannově varietě), přirozeně se vyskytujícím ve fyzikálních aplikacích.
Studium geometrických vlnových rovnic má svůj počátek v sedmdesátých letech 20. století, jedná se o disciplínu relativně mladou, avšak rychle se rozvíjející vzhledem k závažným aplikacím v moderní teoretické fyzice. Článek je zásadním příspěvkem k tomuto oboru, otevírající nový směr výzkumu. Simulacemi bylo mnohokráte prokázáno, že rovnice popisující různé fyzikální jevy (šíření tepla, proudění tekutin či pohyb těles v silovém poli) jsou věrnějšími modely reality, pokud je v nich obsažen člen zahrnující náhodné vlivy prostředí. A právě tento jev je v článku zkoumán. Jedná se o první pokus zavedení náhodných vlivů do geometrických vlnových rovnic. Je odvozena rigorózní podoba takové rovnice a je o ní dokázáno, že vyhovuje náležitým fyzikálně-matematicky přirozeným principům. Ve fyzikálně oprávněných případech je dokázána existence a jednoznačnost řešení.

Z. Brzezniak and M. Ondreját: Strong solutions to stochastic wave equations with values in Riemannian manifolds, J. Funct. Anal., 253, 2: 449-481 (2007)

Kontaktní osoba: M. Ondreját, +420 222 090 734, ondrejat@math.cas.cz

Důležitým problémem, na který se redukuje část úloh matematického modelování, je numerické řešení nelineárních algebraických rovnic s velkým množstvím neznámých. Jeho algoritmizace velmi často vede k problému řešení většího množství principiálně jednodušších soustav rovnic. Autoři této práce se zabývali tím, jak je možné pomocí algebraických metod použít mezivýsledky z jedné jednodušší podúlohy pro řešení dalších z nich. Odborněji můžeme hovořit o aktualizaci předpodmínění spočítaného pro jednu úlohu tak, aby je bylo možné použít pro řešení jiné úlohy a celkově se ušetřila výpočetní námaha. V článku byl navržen, teoreticky prověřen a experimentálně otestován takovýto přístup pro sekvence obecně nesymetrických algebraických rovnic, který zobecňuje diagonální aktualizace publikované M. Benzim a D. Bertaccinim. Výsledky ukazují, že toto byl krok správným směrem.

Duintjer Tebbens, J., Tůma, M.: Preconditioner Updates for Solving Sequences of Large and Sparse Nonsymmetric Linear Systems. - SIAM Journal on Scientific Computing 29: 1918-1941 (2007)

Kontaktní osoba: M. Tůma, 266 053 251, tuma@cs.cas.cz

V práci je navržen tzv. autopoietický automat jako matematický model evolučního zařízení, které zachycuje výpočetní aspekty sebereprodukce - tj. využití programu současně pro řízení chování daného automatu a také jako podkladu pro jeho sebezdokonalovací reprodukci. Autopoietický automat modeluje modifikaci genetické informace a její transfer z rodiče na potomky. Je dokázáno, že schopnost zpracování dat rodovou linií autopoietických automatů je ekvivalentní výpočetní síle nedeterministického interaktivního Turingova stroje. Dále je dokázáno, že existuje autopoietický automat, jehož potomky jsou všechny možné autopoietické automaty, tj. že existuje neomezená evoluce. Tyto výsledky odpovídají pozitivně na von Neumannovu otázku ze 70. let dvacátého století, ve které se ptal, jestli složitost sebereprodukujících se zařízení může evolučně růst neomezeně.

Wiedermann, J.: Autopoietic Automata: Complexity Issues in Offspring-Producing Evolving Process. - Theoretical Computer Science 383: 260-269 (2007)

Kontaktní osoba: J. Wiedermann, 266 0523 520, jiri.wiedermann@cs.cas.cz

Složité, vzájemně interagující systémy můžeme pozorovat v různých situacích v přírodě, v lidském těle nebo v technologických procesech. Pokud předem neznáme strukturu či funkční propojení takových systémů, je potřeba odhalit vzájemné vztahy sledovaných systémů analýzou dat registrovaných v takových systémech. Data nebo signály odrážející vývoj systému v čase, jsou zaznamenávány jako časové řady. Studovali jsme možnosti odhalit vzájemné nebo kauzální vztahy složitých systémů z dvou- (a více-)rozměrných časových řad pomocí metod teorie informace. [1]. Byly rozpracovány nejperspektivnější přístupy, vhodné zejména k analýzám elektrofyziologických dat [2]. První aplikace ve vyhodnocení reálných dat a animálních experimentů přinesly slibné výsledky, umožňující pochopit interakce rytmu srdce, dýchání a EEG vln v anestézii [3].

[1] Hlaváčková-Schindler, K., Paluš, M., Vejmelka, M., Bhattacharya, J.: Causality Detection Based on Information-Theoretic Approaches in Time Series Analysis. - Physics Reports-Review Section of Physics Letters 441, 1: 1-46 (2007)
[2] Paluš, M., Vejmelka, M.: Directionality of Coupling from Bivariate Time Series: How to Avoid False Causalities and Missed Connections. – Physical Review 75, (2007)
[3] Musizza, B., Stefanovska, A., McClintock, P. V. E., Paluš, M., Petrovic, J., Ribaric, S., Bajrovic, F.F.: Interactions between Cardiac, Respiratory and EEF-delta Oscillations in Rats during Anaesthesia. – Journal of Physiology 580, 1: 315-326 (2007)

Kontaktní osoba: M. Paluš, 266 053 430, mp@cs.cas.cz

Byla vyvinuta metoda identifikace parametrů nelineárního biologického modelu popisujícího růst řas. Podstatou metody je excitace systému pomocí harmonických oscilací intenzity osvětlení vhodné frekvence. To způsobuje (po odeznění přechodových dějů) periodickou odezvu systému. Na druhou stranu, odezvu na budicí signál lze spočítat a porovnat ji s experimentálně měřenými daty, což se použije pro zpřesnění parametrů pomocí metody nejmenších čtverců. Novinkou je použití harmonického budicího signálu, což z praktického hlediska umožňuje vybudit všechny módy systému, z teoretického hlediska je takové buzení výhodné pro výpočet odezvy pomocí metody centrální variety. Příslušná centrální varieta je pak řešením parciální diferenciální rovnice, numericky řešené pomocí metody konečných prvků. Navíc, z podstaty praktické konstrukce biotechnologického zařízení vyplývá, že biomasa je v praxi osvětlována právě periodicky, a proto dostupná data odpovídají harmonické excitaci systému. Výpočty, provedené na základě vyvinuté metody umožnily významně zlepšit doposud známé odhady parametrů systému, což umožní jeho budoucí efektivnější řízení.

Rehák B., Čelikovský S., Papáček Š.: Model for photosynthesis and photoinhibition: parameter identification based on the harmonic irradiation O₂ response measurement. IEEE Transactions on Circuits and Systems – I: Regular Papers

Kontaktní osoba: Ing. Mgr. Branislav Rehák, PhD. (rehakb@utia.cas.cz, 266052809), RNDr. Sergej Čelikovský, CSc. (celikovs@utia.cas.cz, 266052020)

Rozdělování veřejných zdrojů na podporu projektů je důležitý, časově a finančně náročný proces realizovaný mnoha národními mezinárodními institucemi. Podrobné posuzování návrhů několika odborníky podle předem zadaných a bodovaných kritérií je osvědčený základ posuzování jednotlivých výzkumných a vývojových projektů. Tato hodnocení je však třeba v závěrečné části hodnotícího procesu úplně uspořádat podle kvality. To je obecný slabý bod hodnocení celkového, neboť se musí provést i) bez podrobné znalosti všech návrhů, ii) v omezeném čase, iii) na základě subjektivně a hrubě odstupňovaných známek. Číselné rozdíly celkových známek mnoha projektů jsou často malé a do značné míry náhodné. Díky tomu je závěrečný výběr podporovaných projektů velmi náročný a přitom nespolehlivý. Popisovaný výsledek formuluje a řeší závěrečné uspořádání jako odhadování neznámé objektivní hodnoty projektu a to na základě známek přiřazených experty. Zpracovávané známky jsou nutně subjektivně zkresleným a často posunutým obrazem hodnoty projektu. Moderní metody odhadování umožnily zpracovat hodnocení téhož projektu více experty a vady známkování potlačit. Tím se daří získat mnohem spolehlivější představu o hodnotě projektů. Současně se odhaduje spolehlivost a objektivnost hodnotících expertů, z nichž každý hodnotí projektů několik. Výzkum byl motivován konkrétním postupem Evropské Komise a byl úspěšně ověřen na jí poskytnutých anonymizovaných známkách. Od zavedení navrženého zpracování do praxe lze očekávat jak zvýšení objektivity této citlivé činnosti, tak její zjednodušení a zlevnění.

Miroslav Kárný, Tatiana Valentine Guy: Ranking as Parameter Estimation, International Journal of Operational Research, Vol. 3, No. 6, 2008

Kontaktní osoba: M. Kárný, 266052274, school@utia.cas.cz

V oblasti matematického modelování obrazů povrchů reálných materiálů bylo vyvinuto několik nových metod extrémní komprese a modelování BTF (bidirectional texture function) textur založených na skupině markovských nebo směsových modelů. BTF textury jsou textury, jejichž vzhled závisí na úhlu pohledu a osvětlení, a představují současný nejlepší známý popis vizuálních vlastností povrchů přírodních nebo umělých materiálů. Typicky jsou reprezentovány měřenými daty v řádu tera bytů na vzorek. Navržené reprezentace BTF textur umožňují dosáhnutí o několik řádů vyššího stupně komprese dat než je dosažitelná komprese libovolnou jinou známou kompresní metodou a představují současnou světovou špičku v této oblasti. Markovský model byl publikován v nejlepším časopise oboru – IEEE PAMI, několik dalších modelů bylo publikováno v jiných zahraničních časopisech. Významnou výhodou těchto reprezentací je možnost realistického modelování přírodních povrchů a snadná možnost syntézy libovolného BTF pohledu přímo v procesoru grafické karty. Metoda založená na na reprezentaci BTF prostoru ve formě BTF texelů byla implementována přímo v grafickém procesoru grafické karty počítače. Dosáhlo se tak prvního modelu BTF textur ve světě, který lze použít v reálném čase.

Haindl, M., Filip, J.: Extreme Compression and Modeling of Bidirectional Texture Function.- IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 29, 10: 1859-1865 ( 2007)
Filip, J., Haindl, M.: BTF Modelling using BRDF Texels.- International Journal of Computer Mathematics 84, 9: 1267 – 1283 (2007)

Kontaktní osoba: Doc.Ing. Michal Haindl,DrSc., +420 266052350, haindl@utia.cz