Pružný rozptyl protonů při vysokých energiích

 

Při vzájemných srážkách protonů dochází nejen ke vzniku sekundárních částic, ale také k pružnému rozptylu, kdy se částice po srážce pouze odkloní od původního směru. A právě pružný rozptyl protonů představuje jeden z centrálních teoretických problémů fyziky částic, neboť na rozdíl od nepružných srážek prozatím žádná detailnější teorie pro něj neexistuje. Dosud se používá fenomenologický model, podle něhož by k pružnému rozptylu protonů, resp. antiprotonů na protonech mělo docházet s největší pravděpodobností při centrálních srážkách, kdy příčná vzdálenost srážejících se částic, tzv. srážkový parametr, je mnohem menší, než průměrný rozměr protonu (viz čárková křivka na dolním obrázku vlevo). Námi navržený model [1] popisuje pružný rozptyl jako „periferní“ proces, který nastává s maximální pravděpodobností při srážkovém parametru odpovídajícím průměrnému rozměru protonu (viz plná křivka na levém dolním obrázku). Na nově budovaném urychlovači LHC v CERN je připravován experiment TOTEM, na němž se podílí též naše skupina fyziků. Experiment bude proveden s mimořádně velkou statistikou, měl by mimo jiné rozhodnout mezi těmito alternativními modely.

Stanovení četnosti pružného rozptylu protonů do velmi malých úhlů je velmi důležité pro určení luminosity urychlovače, tj. efektivní četnosti vzájemných srážek dvou proti sobě jdoucích protonových svazků. Luminosita je základní údaj, z něhož se vychází při stanovení všech charakteristik ostatních srážkových procesů. Vychýlené protony s energií 14 TeV se budou zaznamenávat ve velmi sofistikovaných detektorech, tzv. „římských hrncích“, jejichž hlavní části vyrábí firma Vakuum Praha a jejichž prototyp je ukázán na obrázku vpravo dole.

[1] V. Kundrát, M. Lokajíček: "Interference between Coulomb and hadronic scattering in elastic high-energy nucleon collisions"; Phys. Lett. B 611: 102-110 (2005).

 

 

 

 

 

 

Infračervené světlo odhaluje feroelektrické uspořádání nanometrických rozměrů

 

Ve fyzice pevných látek se stále větší pozornost věnuje krystalům, které jsou sice chemicky homogenní, ale jejichž mikroskopické uspořádání se mění na vzdálenostech několika nanometrů. Materiály s takovými nanometrickými fluktuacemi nebo klastry totiž vykazují unikátní vlastnosti, jako jsou vysokoteplotní supravodivost, kolosální magnetoodporový jev nebo jev magnetické přepolarizace spinovým vstřikem. K těmto látkám patří i tzv. relaxační feroelektrika. Jejich rekordní dielektrické a piezoelektrické parametry jsou způsobeny tím, že se v nich vyskytují malé oblasti s uspořádaným elektrickým dipólovým momentem, tzv. polární nanoklastry. Studiem a novou interpretací spekter daleké infračervené odrazivosti se skupině pracovníků v oddělení dielektrik nedávno podařilo ukázat, že frekvence některých mřížkových vibrací v jednotlivých klastrech jsou díky interakci s lokálním dipólovým momentem zvýšeny až o 20-30 % a dielektrická konstanta uvnitř polárních nanoklastrů je v infračervené frekvenční oblasti silně anizotropní. Dielektrickou odezvu relaxačních feroelektrik a piezoelektrik je proto třeba vyhodnocovat pomocí teorie efektivního prostředí, s přihlédnutím ke geometrii a topologii těchto klastrů. Ukazuje se, že hustota polárních nanoklastrů je v těchto materiálech mnohem větší, než se dříve předpokládalo, takže materiály připomínají spíše feroelektrické krystaly s nanoskopickou doménovou strukturou nebo nanoskopickou polykrystalickou feroelektrickou látku.

 

[1]    J. Hlinka, T. Ostapchuk, D. Noujni, S. Kamba, and J. Petzelt: Anisotropic dielctric function in polar nano-regions of relaxor ferroelectrics, Phys.Rev. Lett. (2005), in print.

[2]    J. Hlinka, J. Petzelt, S. Kamba, D. Noujni and T. Ostapchuk: Infrared dielectric response of relaxor ferroelectrics; vyžádaný přehledový článek do speciálního čísla časopisu Phase Transitions věnovaného "Phase Transitions in Giant Piezoelectrics".

 

 

Magneto-kalorické jevy v intermetalických sloučeninách za vysokých tlaků.

 

V nedávné době bylo nalezeno několika materiálů (GdDy, MnFeAs), které se značně zahřívají nebo naopak ochlazují pokud jsou vloženy do magnetického pole nebo z něho vyjmuty. Výzkum intermetalických sloučenin, které vykazují tento výrazný („obří“) magneto-kalorický jev v okolí pokojové teploty, velmi urychlil vývoj nové, ekologické a energeticky méně náročné technologie magnetického chlazení. Dnes jsou již testována první zkušební chladící zařízení.

Ve Fyzikálním ústavu AV ČR byla působením velmi vysokých hydrostatických tlaků vyvolána koincidence strukturních a magnetických fázových přechodů v několika intermetalických sloučeninách (Gd₅Si₂Ge₂; Tb₅Si₂Ge₂; Ni₂MnGa), která vedla k výraznému zvýšení magneto-kalorických jevů, které doprovázejí vznik těchto fázových přechodů. V rámci našeho výzkum byla provedena vůbec první měření změn magnetické entropie látek za tlaku. Výsledky získané v rámci intenzivní spolupráce s pracovišti ve Španělsku, USA a Itálii významně ovlivňují směry vyhledávání perspektivních materiálů pro magnetické chlazení.

[1]    C. Magen et al., Hydrostatic pressure control of the magneto-structural phase transition in Gd₅Si₂Ge₂ single crystals, Phys. Rev. B 72, 024416 (2005).

[2]    J. Kamarád et al., Effect of hydrostatic pressure on magnetization of Ni_2+xMn_1-xGa alloys, J. Mag. Magn. Mats. 290-291:660 (2005).

 

 

 

Nízkoteplotní plazmová depozice tenkých oxidových vrstev.

 

Nanášení tenkých transparentních vodivých oxidových vrstev na polymerní fólie za atmosférického tlaku je vzhledem k možnostem jejich technologického využití stále v popředí zájmu mnoha laboratoří. I když byla již vyvinuta řada systémů PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) pro nanášení takových vrstev především za nízkého tlaku, je stále nutno řešit jak specifické problémy technologického charakteru, tak i plně zvládnout diagnostiku plazmatu přímo při depozici vrstev.

Vhodnou aplikací našeho systému s proudícím plazmatem, který pracuje za atmosférického tlaku a v otevřeném prostředí, se podařilo nanést dlouhodobě stabilní vodivé oxidy ZnO a hliníkem dopované ZnO:Al na polymerové substráty. Tyto ZnO vrstvy jsou vhodné pro solární články, displeje atd. Použitím ´in situ´ diagnostiky atmosférického plazmatu jsme optimalizovali podmínky depozičního procesu jak z hlediska kvality tak i vlastností nanesených vrstev a tím zkvalitnili  reprodukovatelnost depozičního procesu.

K depozici ferroelektrických vrstev Ba_xSr_1-xTiO₃ (BSTO) byla úspěšně použita nízko-teplotní, nízkotlaká plazmová tryska s dutou katodou. BSTO vrstvy jsou v současné době perspektivní pro mikrovlnné laditelné struktury v pásmu 10 GHz. V deponovaných BSTO vrstvách byla pomocí XRD difrakce nalezena perovskitová krystalická fáze s velikostí zrn » 30 nm. U vrstev se specifickým stechiometrickým složením - Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ byla za pokojové teploty zjištěna ferroelektrická fáze.

[1]    Z. Hubička, M. Čada, P. Adámek, P. Virostko, J. Olejníček, A. Deyneka, L. Jastrabík, K. Jurek, G. Suchaneck, G. Guenther, G. Gerlach, P. Boháč: Investigation of the RF pulse modulated plasma jet system during the deposition of Pb(ZrxTi1-x)O-3 thin films on polymer substrates, Surf. Coat. Technol. 200: 940-946 (2005).

[2]    M. Chichina, Z. Hubička, O. Churpita, M. Tichý: Measurement of the parameters of atmospheric-pressure barrier-torch discharge, Plasma Processes and Polymers 2: 501-506 (2005).

 

 

Rentgenová holografie s atomárním rozlišením

 

Existuje celá řada zejména difrakčních metod, pomocí kterých lze určovat atomární strukturu krystalických látek. Zásadním problémem však stále zůstává, jak určit uspořádání atomů v látkách, které nemají periodickou strukturu (malé klastry atomů, organické molekuly, viry, apod.).

Řešením by mohla být např. námi navržená metoda nazvaná „x-ray diffuse scattering holography“, která v principu umožňuje získat hologram souboru atomů (a tak i třírozměrný reálný obraz, který lze z hologramu numericky zrekonstruovat) na základě měření anomálního difúzního rozptylu rentgenového záření. Tato holografická metoda byla nejen teoreticky navržena ve Fyzikálním ústavu AV ČR [1], ale také úspěšně experimentálně ověřena na vzorku chloridu rubidného (Obr. 1) [2]. V současné době pracujeme jak na zpřesnění experimentálních měření [3], tak i na vylepšování rekonstrukčního algoritmu, aby bylo možné takto určovat složitější dosud nedešifrované struktury.

 

 

[1]    M. Kopecký: X-ray diffuse scattering holography, J. Appl. Crystallogr. 37:711-715 (2004).

[2]    M. Kopecký, J. Fábry, J. Kub, E. Busetto, and A. Lausi: X-ray diffuse scattering holography of a centrosymmetric sample. Appl. Phys. Lett. (v tisku).

[3]    J. Fábry, M. Kopecký, J. Kub: A simple method of shielding area detectors from unwanted Bragg diffractions. J. Appl. Crystallogr. (v tisku).

 

 

Obr 1:  Hologram chloridu rubidného získaný z rozdílu difúzního rozptylu rentgenového záření naměřeného při energiích 15,060 keV a 15,120 keV (vlevo). Zrekonstruovaný  reálný obraz atomů rubidia a chlóru v krystalografické rovině (001) (vpravo).