Výzkumná témata
Oblastí výzkumu oddělení je ultrarychlá laserová spektroskopie. Naším hlavním experimentálním nástrojem jsou ultrakrátké laserové pulzy generované pomocí pulzních laserů. Tyto zdroje koherentního záření emitují pulzy elektromagnetického záření s délkou kratší než 1 pikosekunda (10-12 s), v našem případě i kratší než 1 femtosekunda (10-15 s). Délka těchto pulzů pak určitě časové rozlišení, se kterým jsme schopni pomocí těchto extrémně rychlých záblesků studovat chování pevných látek. Mnoho z našich experimentálních uspořádání využítá techniku excitace a sondování, při níž je materiál nejprve excitován intenzivním pulzem a studovaný jev je poté detekován pomocí slabšího, časově zpožděného pulzu.
Výzkum je dělen do tří hlavních tématických skupin a jejich experimentální zázemí tvoří šest laserových laboratoří. Cílem našich experimentálního a teoretického výzkumu je získání poznatků o dynamickém chování elementárních excitací v široké škále materiálů: od magneticky uspořádaných kovů až po polovodiče a jejich nanostruktury. Zaměření výzkumu je motivováno jak základní poznáním, tak potenciálními aplikacemi, které zahrnují oblasti spintroniky, fotoniky a optoelektroniky.
Optospintronika
Spintronika je nové, dynamicky se rozvíjející odvětví elektroniky, které využívá k ukládání a zpracování dat magnetický moment – spin – nosičů náboje. Nové technologické koncepty se studují ve spintronice od začátku osmdesátých let, a první součástky již nalezly své komerční uplatnění (čtecí hlavy k pevným diskům či magnetické paměti typu “MRAM”). V nedávné době se ve spintronice začalo využívat také světlo, čímž vznikla její nová větev „optospintronika“. Využití interakce světla se spinovou polarizací nám poskytuje nové možnosti, jakými lze neinvazivně měnit a studovat magnetické uspořádání v materiálu na velmi krátkých časových škálách (až femtosekund), což je o několik řádů rychlejší než u ostatních existujících experimentálních technik.
Náš výzkum je sdružen pod Laboratoří OptoSpintroniky (LOS). Experimenty využívající výhradně optické pulzy jsou prováděny v Laboratoři optické spintroniky a jsou zaměřeny zejména na studium mechanizmů, kterými lze za použití laserových pulsů změnit orientaci magnetických momentů ve feromagnetických a antiferomagnetických materiálech na ultrakrátkých časových škálách. V Laboratoři terahertzové spintroniky využíváme teraherzové pulzy ke generování a detekování spinově polarizovaných proudů, které tvoří základní kámen moderních spintronických aplikací.
Ultrarychlé procesy v pevných látkách
V současné době je rychlost klasické elektroniky omezena maximální frekvencí, na níž je možné kontrolovat makroskopické nábojové proudy v materiálech. Existují ovšem fyzikální procesy odehrávající se na mnohem kratších časových škálách, které by v budoucnu mohly sloužit ke zvýšení rychlosti zpracování a přenosu informace. Tyto procesy zkoumáme na našem oddělení pomocí ultrakrátkých laserových pulzů dosahující amplitud pole srovnatelných s polem, které působí mezi atomy v pevných látkách. Díky tomu, že elektromagnetické pole pulzů a jeho fázi je možné kontrolovat s přesností několika desítek attosekund (1 as = 10–18 s), dovoluje nám tato technologie ovlivňovat a studovat koherentní dynamiku elektronů v pevných látkách a nanostrukturách.
V Laboratoři ultrakrátkých pulzů a Vysokoenergetické femtosekundové laboratoři se věnujeme koherentní interakci elektronů v polovodičových strukturách s femto- a attosekundovými laserovými pulzy v širokém spektrálním oboru. K výzkumu zobrazování s vysokým časovým a prostorovým rozlišením slouží Laboratoř ultrarychlé elektronové mikroskopie.
Teorie optiky nanostruktur
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 se zaměřujeme na popis jevů spojených s interakcí elektromagnetického pole a elektronových systémů.
