Doktorský program Aplikovaná fyzika

Garant: doc. RNDr. Vítězslav Straňák, Ph.D., Katedra fyziky, PřF JU, www.prf.jcu.cz/ufy, Tel: +420 387 776 269, e-mail: stranak@prf.jcu.cz, stranv00@centrum.cz


Charakteristika

Doktorský studijní program Aplikovaná fyzika je zaměřen na přípravu kvalifikovaných pracovníků, s pokročilým fyzikálním vzděláním, kteří dokáží řešit rozsáhlé spektrum problémů na pomezí vědecké a technické praxe. Studenti si v rámci svého studia mohou vybrat vlastní odborné zaměření v oblasti experimentální fyziky a počítačového modelování a simulací. Okruhy disertačních prací jsou profilovány podle experimentálních laboratoří, výzkumných skupin a aktuálně řešených projektů. Takto se lze v rámci experimentální fyziky soustředit na užší oblasti depozice funkčních nanostruktur a aktivních vrstev, fyziky nízkoteplotního plazmatu, laserové a nelineární optiky nebo pokročilého zpracování audiosignálu. Skupiny zabývající se počítačovým modelováním se pak soustředí na simulace vzájemných interakcí molekul a povrchů pomocí molekulární dynamiky, procesů ve sluneční fyzice za pomocí magnetohydrodynamických rovnic, simulace modelů v mechanice kontinua pevných látek metodou konečných prvků nebo pokročilé modelování pohybu náboje v materiálových strukturách. Konkrétní specializaci a školitele si student může vybrat na základě vlastního uvážení, vědeckého zájmu.

Přijímací řízení

Pro studium doktorského programu Aplikovaná fyzika musí mít uchazeč ukončené magisterské/inženýrské studium přírodovědného nebo technického směru. Očekává se, že uchazeči přihlášení k přijímacímu pohovoru do doktorského programu Aplikovaná fyzika již mají vybraného školitele, který souhlasí s vedením přihlašovaného studenta (viz okruhy témat doktorských prací). Student je doporučený ke studiu přijímací komisí na základě přijímacího pohovoru. Během pohovoru uchazeč demonstruje znalosti související s plánovaným tématem disertační práce, prokáže znalosti z fyziky a schopnost aktivního užití anglického jazyka.

Průběh studia a studijní povinnosti

Doktorský program Aplikovaná fyzika má standardní dobu 4 roky. Během této doby student musí splnit povinnosti stanovené řádem. Jedná se zejména o:

a) absolvování vzdělávacích předmětů a kurzů

a1) povinných kurzů, které jsou společné pro všechny doktorské studenty PřF JU

a2) povinně volitelných kurzů, z nichž si student s ohledem na svoji profilaci a zaměření disertační práce vybírá minimálně tři a které jsou zakončeny zkouškou,

a3) doplňkových kurzů, v případě potřeby sloužící pro nezbytné doplnění předchozího vzdělání,

viz. přehled předmětů a kurzů (.pdf)

b) absolvování státní závěrečné zkoušky, které je doporučena ve třetím roce studia a je rozdělena na tři okruhy:

b1) odborný směr disertační práce - student v krátké prezentaci (max. 10 min.) představí odborný profil své disertační práce,

b2) teoretický základ ve směru disertační práce - student prokáže hluboké, teoretické znalosti v úzkém spektru svého zaměření,

b3) širší teoretický základ - student prokáže svůj rozhled v oblasti aplikované fyziky a schopnost syntézy dosažených vědomostí,

c) odevzdání a obhajoba disertační práce, kterou student prokáže schopnost samostatné vědecké a výzkumné činnosti. Požadavky na disertační práci jsou stanoveny Opatřením děkana PřF JU č. 62 (https://www.prf.jcu.cz/data/files/8/81/84/203d62.pdf).

Okruhy témat doktorských prací

Představená témata představují vědeckou oblast zájmu jednotlivých výzkumných skupin, do kterých se promítá problematika aktuálně řešených projektů. Konkrétní téma disertační práce vznikne po dohodě studenta se školitelem.

Nábojové přenosy na heterogenních rozhraních s biomolekulami: Přenos náboje je jedním z nejrozšířenějších procesů, který je všudypřítomný v elektronice, chemii i biologii. Náš výzkum se zaměřuje na elektronový transport mezi povrchy pevných elektrod a biomolekul, který hraje klíčovou roli jak v elektrochemii, tak v relativně nových bionanotechnologických aplikacích. Detailní znalost struktury a elektronových vlastností těchto rozhraní je tak důležitá nejen z pohledu základního, ale i aplikovaného výzkumu. V rámci naší teoretické skupiny studujeme tyto systémy pomocí počítačových simulací. Používáme různé výpočetní přístupy od klasických silových polí, molekulární dynamiky či semiempirických kvantových metod až po přesné kvantové výpočty založené na teorii hustotních funkcionálů (DFT) a technik pro popis kvantového transportu. Naším cílem je plně porozumět proudové odezvě biomolekul na daném kontaktním povrchu jako funkci přiloženého napětí a predikovat tyto vodivostní charakteristiky u nových systémů.

Kontaktni osoba: RNDr. Zdeněk Futera, Ph.D., zfutera@prf.jcu.cz, tel: +420 38 777 6260

Bio-aktivní nanostrukturované tenké vrstvy a povrchy. Studenti se zabývají výzkumem a vývojem tenkých, funkčních, nanostrukturovaných vrstev, které jsou schopné interakce s komplexy molekul; jedná se zejména o povrchy pro bio-senzory využívající metody LMR, SERS, LSPR, SPR detekce; obohacené tenké vrstvy (např. vrstvy dopované antibiotiky); povrchy s funkčními vazbami atd. Nanostrukturované povrchy jsou typicky připravovány pomocí plazmatických metod PVD (Physical Vapour Deposition) nebo PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition).

Kontaktní osoba: doc. Vítězslav Straňák (stranak@prf.jcu.cz), tel: +420 387 776 269, www.prf.jcu.cz/plasma

Nízkoteplotní plazma pro technologické aplikace. Předmětem studia je základní a aplikovaný výzkum různých druhů nízkoteplotního plazmatu, jeho interakce s pevnou fází a jeho aplikace pro výzkum depozice různých typů vrstev a tenkovrstvých struktur. Tento výzkum zahrnuje charakterizaci nízkoteplotního plazmatu pomocí komplexních diagnostických metod, které zahrnují také originální přístupy pro implementaci do průmyslových technologických procesů.

Kontaktní osoba: Mgr. Martin Čada, Ph.D., cada@fzu.cz, tel: +420266 05 2418

Příprava tenkých vrstev pokročilými plazmovými metodami: Téma je zaměřeno na výzkum nových a pokročilých materiálů, povrchů a tenkých vrstev pomocí nízkoteplotního plazmatu. Z hlediska typu vrstev se jedná zejména o polovodivé vrstvy s aplikacemi ve fotoelektrochemii, katalýze, fotonice, optických ochranných strukturách, senzorech atd. Dále se zaměřujeme na výzkum tvrdých a ochranných povlaků na substráty se složitou geometrií. V těchto případech se jedná většinou o přípravu nitridů nebo karbidů různých kovů případně jejich slitiny. Za těmito účely se věnujeme vývoji a optimalizaci zdrojů nízkoteplotního plazmatu, jako jsou různé druhy reaktivních impulzních magnetronů HiPIMS například kombinovaných s induktivně vázaným vysokofrekvenčním výbojem pracující s elektronovou cyklotronovou vlnou ve vlnové rezonanci (ECWR), případně různé modifikace systémů využívající výbojů v dutých katodách s formací plazmatických proudících kanálů.

Kontaktní osoba: Mgr. Zdeněk Hubička, Ph.D., hubička@fzu.cz, tel: +420266 05 2415

Numerické simulace dynamických procesů ve sluneční koróně: Dosud nevyřešeným problémem sluneční fyziky je tzv. ohřev sluneční koróny, kdy sluneční koróna má teplotu mnohonásobně vyšší než sluneční povrch. Jedním z možných mechanizmů, který by mohl pomoci vysvětlit tento ohřev, jsou vlny a oscilace, které jsou přítomny skrze celou sluneční atmosféru. V plazmatu je možné vygenerovat celou škálu vlnění, které je možné studovat mimojiné řešením magnetohydrodynamických rovnic. Studenti se budou podílet na výzkumu jevu vln,  oscilací a turbulentních procesů za pomoci numerických výpočtů a simulací zejména ve dvou a třech rozměrech, využitím různých numerických metod. Zaměřovat se budou hlavně na magnetohydrodynamické vlny, jako jsou pomalé, rychlé, Alfvénovy, nebo entropické vlny v různých magnetických strukturách sluneční atmosféry (koronální smyčky, otevřené struktury, neutrální proudové vrstvy, atd.).

Kontaktní osoba: doc. Petr Jelínek, pjelinek@prf.jcu.cz, tel: +420 38777 6261 Dr. M. Bárta, barta@asu.cas.cz

Předpovědi slunečních erupcí pomocí algortimů strojového učení. Sluneční erupce patří mezi nejenergetičtější procesy ve sluneční soustavě. V současné době, kdy je lidstvo přímo závislé na elektronických systémech, mohou sluneční erupce znamenat nebezpečí v podobě poškození systémů nejen na oběžné dráze kolem Země, ale i přímo na Zemi. Cílem výzkumu bude umět předpovídat sluneční erupce na základě charakteristických projevů na Slunci, pomocí metod strojového učení a neuronových sítí. Při řešení se předpokládá studie a modifikace existujících algoritmů a i případně vlastní návrh algoritmů spojujících strojové učení, založeném například na datech z družic GOES, a pravděpodobnostní metody včetně metod extrakce příznaků pro co nejspolehlivější predikci slunečních erupcí či pravděpodobnosti jejich výskytu. Jako součást výzkumu lze tedy očekávat i návrh vlastní či modifikované neuronové sítě a specifického učícího algoritmu a dle složitosti i případná implementace na HPC (High Performance Computing) systému, který bude co nejspolehlivěji predikovat pravděpodobnost výskytu erupce či přímo její výskyt.

Kontaktní osoba: doc. Petr Jelínek, pjelinek@prf.jcu.cz, tel: +420 38777 6261, doc. Ivo Bukovský (ibuk@prf.jcu.cz), doc. Marian Karlický, ASU CR, karlicky@asu.cas.cz

Molekulární simulace vodných roztoků a rozhraní pevná látka-kapalina umožňují pochopit strukturu, interakce a dynamiku iontů, molekul a biomolekul na molekulární úrovni, a objasnit molekulární původ experimentálních dat. K získání výsledků a jejich porovnání s experimentálními výsledky používáme klasickou molekulární dynamiku i kvantové výpočty, včetně ab initio dynamiky. V současné době se soustředíme na predikci signálů nelineární optiky (generace součtových frekvencí, generace druhé harmonické frekvence) a elektrokinetických jevů (elektroosmóza, elektroforéza) aplikovaných na stále složitější systémy.

Kontaktní osoba: doc. Milan Předota, predota@prf.jcu.cz, Tel: +420 38777 6258

Molekulární modelování kapacitní deionizace. Kapacitní deionizace (CDI) je slibnou technologií odsolování vody vzhledem k jejim nízkým ekonomickým nákladům a energetickým požadavkům. CDI často používá porézní uhlíkové elektrody, které selektují ionty vodného roztoku, který proudí mezi elektrodami rovnoběžnými s tokem. V řešeném projektu je cílem pomocí počítačových simulací (včetně nerovnovážné molekulární dynamiky) studovat na molekulární úrovni vliv parametrů (elektrické pole, velikost pórů, rychlost proudění, defekty elektrod) na účinnost CDI.

Kontaktní osoba: doc. Milan Předota, predota@prf.jcu.cz, Tel: +420 38777 6258

Vlastnosti podchlazené vody: Voda může existovat v kapalném stavu i za teplot nižších, než by odpovídalo teplotě fázového přechodu při daném tlaku. V tomto stavu je voda v tzv. metastabilním stavu. Čím více je podchlazená, tím obtížnější je měřit její termofyzikální vlastnosti. Přesto řada měření existuje, a tato měření ukazují, že voda v podchlazené oblasti vykazuje celou řadu anomálií. Pro jejich vysvětlení jsou vyvíjeny stavové rovnice podchlazené vody. Cílem práce by bylo vyvinout novou stavovou rovnici podchlazené vody, která by zohlednila nejnovější měření. Vyvinutá rovnice by navíc plynule přecházela ve vědeckou rovnici popisující stavové chování vody IAPWS-95, která se používá jako standard pro vědecké a termofyzikání výpočty.

Kontakt: doc. Jana Kalová, jkalova@prf.jcu.cz

Analýza fyzikálních systémů a dat s podporou strojového učení.  Zaměřením vědeckého výzkumu budou nekonvenční metody zpracování dat (feature engineering) a strojového učení, aplikace stávajících neuronových sítí s předpokládaným vývojem jejich modifikací včetně učících algoritmů, zapojení dalších přístupů a nástrojů umělé inteligence (attention, reinforcement learning) za účelem analýzy, predikce, a detekce anomálií ve fyzikálních systémech. Fyzikální zaměření je potom možné  specifikovat podle zájmu a aktuálně řešených výzkumných témat. Do výzkumu je možné zahrnout i matematické modelování či návrhy digitálních fantomů (dvojčat) fyzikálních systémů právě s podporou strojového učení.

Kontaktní osoba: doc. Ivo Bukovský (ibuk@prf.jcu.cz)

Strojové učení a analýza kvantových dat. Kvantová data a případně jejich HW a SW pseudogenerátory jsou zajímavou výzvou pro metody strojového učení. Předmětem výzkumu budou obecně nástroje výpočetní inteligence (dle zájmu neuronové sítě nebo fuzzy systémy a jejich algoritmy učení) pro analýzu kvantových dat a pro budoucí aplikace ve kvantových systémech.

Kontaktní osoba: doc. Ivo Bukovský (ibuk@prf.jcu.cz)

Adaptivní řízení fyzikálních systémů.  Zaměřením výzkumu budou metody neuronových sítí pro adaptivní aproximaci a řízení fyzikálních systémů. Ve výzkumu je možné se zaměřit například na mělké neuronové sítě, hluboké neuronové sítě, nebo vývoj vlastních neuronových architektur a algoritmů (attention, reinforcement) pro identifikaci a řízení fyzikálních systémů na základě měřených dat.

Kontaktní osoba: doc. Ivo Bukovský (ibuk@prf.jcu.cz)