Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego UJ prowadzi badania w takich dziedzinach jak fizyka cząstek elementarnych, fizyka jądrowa, optyka kwantowa, fizyka ciała stałego, fizyka faz skondensowanych, nanostruktury i nanotechnologia, biofizyka, fizyka medyczna oraz komputerowe modelowanie zjawisk fizycznych. Zespół Instytutu zajmuje się zarówno badaniami podstawowymi, jak i pracami o charakterze aplikacyjnym, wykorzystując nowoczesne metody eksperymentalne i teoretyczne.
Główne obszary badawcze:
Badania prowadzone są w Zakładach:
- Fizyki Gorącej Materii
- Fizyki Hadronów
- Doświadczalnej Fizyki Komputerowej
- Doświadczalnej Fizyki Cząstek i jej Zastosowań
- Teorii Układów Jądrowych
Materia, z której zbudowany jest dzisiejszy Wszechświat powstała w ciągu kilku pierwszych sekund po Wielkim Wybuchu. Wyodrębniły się też wtedy fundamentalne siły natury, takie jak grawitacja, elektromagnetyzm oraz oddziaływania silne i słabe. Zaczęły one kształtować strukturę Wszechświata, prowadząc do powstania pierwszych cząstek elementarnych, jąder i atomów. W eksperymentach, w których w akceleratorach zderzane są ze sobą cząstki o bardzo wysokich energiach, bliskich tym z początku istnienia Wszechświata, poszukujemy informacji, które pomogą nam określić właściwości najbardziej podstawowych cząstek, takich jak bozon Higgsa czy też tych zawierających kwarki dziwne i powabne. Badania te pozwolą nam także odnaleźć punkt krytyczny w obszarze przejścia fazowego pomiędzy materią hadronową a plazmą kwarkowo-gluonową. Być może uda się również wyjaśnić, dlaczego dziś we Wszechświecie obserwujemy tylko materię, a brak jest anty-materii mimo, iż w pierwszych chwilach jego istnienia występowały one w tych samych ilościach. W eksperymentach, w których zderza się kaony z materią jądrową lub bada rozpady atomu pozytonium (pary elektron-pozyton), testujemy symetrię CP (symetria ładunkowo-przestrzenna) oraz CPT (symetria ładunkowo-przestrzenno-czasowa). W badaniach rozpadu swobodnego neutronu staramy się wyznaczyć potencjalne egzotyczne przyczynki do oddziaływań słabych. Podejmujemy także próby rejestracji ekstremalnie rzadkich rozpadów jądrowych, np. podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. Jego występowanie wskazywałoby, iż neutrina, w odróżnieniu od wszystkich innych cząstek, są swoimi własnymi antycząstkami (neutrino Majorany). Szeroko zakrojone są również poszukiwania bezpośrednich oddziaływań cząstek mitycznej ciemnej materii. Opracowujemy też teoretyczny opis właściwości sił działających między składnikami jąder atomowych, które decydują m.in. o mechanizmie reakcji jądrowych i rozpadów promieniotwórczych.
Badania prowadzone są w Zakładach:
Oddziaływanie światła z materią dostarcza nam informacji o cechach materiałów na poziomie atomowym i molekularnym. Przy pomocy zaawansowanych technik laserowych prowadzimy badania ujawniające nowe właściwości molekuł, nano-cząstek, centrów barwnych w kryształach diamentu oraz atomów, jonów i molekuł w warunkach ekstremalnych. Występują one w wiązkach naddźwiękowych czy też w ośrodkach plazmowych. Zaliczamy do nich również ultra-niskie temperatury, w których zachodzi zjawisko kondensacji Bosego-Einsteina. Doświadczenie w dziedzinie fizyki atomowej wykorzystujemy w realizacji projektów, w których poszukujemy odpowiedzi na fundamentalne pytania, dotyczące m.in. pochodzenia wody w Układzie Słonecznym w ramach misji kosmicznej Uniwersytetu Jagiellońskiego HYADES. Bierzemy także udział w budowie zegarów atomowych, ultraczułych magnetometrów oraz komputerów kwantowych.
Badania prowadzone są w Zakladach:
- Fizyki Ciała Stałego
- Promieniowania Synchrotronowego
- Inżynierii Nowych Materiałów
- Fizyki i Nanostruktur i Nanotechnologii
Współczesne technologie bazują na nowoczesnych materiałach o ściśle dobranych właściwościach. Korzystając z zaawansowanych technik eksperymentalnych dostępnych w naszych laboratoriach oraz Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS prowadzimy badania właściwości fizycznych materii skondensowanej: zarówno organicznej jak i nieorganicznej w ultraniskich jak i bardzo wysokich temperaturach. Analizujemy strukturę krystaliczną i elektronową badanych materiałów, ich właściwości optyczne, termiczne i transportowe. Dla stopów i mieszanin wyznaczamy diagramy fazowe oraz badmy zjawiska zachodzące na powierzchniach rozdziału, w szczególności procesy samoorganizacji. Wśród badanych materiałów znajdują się związki międzymetaliczne pierwiastków ziem rzadkich, stopy metali w układach podwójnych, poczwórnych,półprzewodników, kryształów z grupy perowskitów, m.in. tlenków metali przejściowych, nadprzewodniki wysokotemperaturowe i izolatory topologiczne, magnetyki molekularne, kryształy dwówymiarowe, półprzewodniki organiczne oraz ciekłe kryształy.
Badania prowadzone są w Zakladach:
Metody obrazowania i manipulacji z rozdzielczością atomową takie jak mikroskopia skanującego próbnika (SPM – ang. Scanning Probe Microscopy) pozwalają prowadzić badania nad układami o rozmiarach pojedynczych nanometrów, których właściwości istotnie zależą od wielkości i kształtu. Złożone układy organiczne tej wielkości tworzone są w naszych laboratoriach poprzez kontrolowaną manipulację poszczególnymi cząsteczkami. Badamy procesy powstawania samoorganizujących się mono-warstw o dokładnie określonej strukturze geometrycznej i unikalnych właściwościach fizykochemicznych oraz analizujemy właściwości fizykochemiczne różnych biosystemów na poziomie nanometrów. Metodami epitaksji z wiązki molekularnej wytwarzamy nanostruktury metaliczne i organiczne, dla tych ostatnich, w procesach kontrolowanej manipulacji ostrzem mikroskopii SPM badamy właściwości trybologiczne powstających atomowo uporządkowanych interfejsów. Prace eksperymentalne uzupełniamy modelowaniem (na poziomie atomowym) zjawisk zachodzących na powierzchniach.
Badania prowadzone są w Zakladach:
- Biofizyki Molekularnej i Międzyfazowej
- Fizyki Medycznej
- Fizyki i Nanostruktur i Nanotechnologii
- Inżynierii Nowych Materiałów
Spektro- i mikroskopowe techniki fizyki doświadczalnej dostarczają informacji niezbędnych do zrozumienia zjawisk molekularnych i międzyfazowych, zachodzących na różnych poziomach w materii organicznej, w szczególności w układach biologicznych. W ramach prowadzonych prac analizujemy właściwości elektronowe grup hemowych i właściwości fizykochemiczne erytrocytów różnego pochodzenia. Badamy mechanizmy molekularne odpowiedzialne za odporność na przemarzanie oraz procesy zamarzania wody w organizmach ekstremo-tolerujących, granicę fotosyntezy w ujemnych temperaturach oraz odporność na skrajne odwodnienie żywych organizmów, tkanek i innych układów biologicznych. Analizujemy zachowanie komórek na powierzchni powłok polimerowych o zadanych właściwościach oraz na powierzchniach powłok, które przełączają swoje właściwości w odpowiedzi na różne bodźce środowiskowe. Rozwijamy mechanobiologię - dziedzinę, która pozwala uzyska odpowiedzi na pytania o to jak parametry mechaniczne mikrośrodowiska wpływają na wewnątrzkomórkowe procesy biochemiczne odpowiedzialne za homeostazę komórek. Prowadzimy również prace nad zastosowaniem nanoindentacji do diagnostyki medycznej chorób cywilizacyjnych, takich jak cukrzyca, czy procesów mechanotransdukcji na poziomie pojedynczych komórek. Pracujemy również nad rozwojem nowych biosensorów zarówno optymalizacjąc proces ich funkcjonalizacji za pomocą biomolekuł jak też poszukując nowych markerów chorobowych.
Badania prowadzone są w Zakładach:
Oddziaływania promieniowania z tkankami żywych organizmów dostarczają cennych informacji diagnostycznych i mogą być również wykorzystywane w celach terapeutycznych. Od lat rozwijamy technologię detekcji promieniowania jądrowego i rekonstrukcji obrazów w celu zbudowania, uruchomienia oraz przetestowania ekonomicznego tomografu J-PET. Umożliwi on jednoczesne obrazowanie dynamiki metabolizmu w całym ciele człowieka, również z wykorzystaniem pozytonium jako markera zmian nowotworowych. Prowadzimy badania nad wykorzystaniem neutronów w leczeniu nowotworów w tak zwanej terapii borowo-neutronowej (BNCT Boron-Neutron Capture Therapy). Opracowujemy również metody monitorowania w czasie rzeczywistym skuteczności działania wiązki służącej do niszczenia zmian nowotworowych w terapii protonowej przy wykorzystaniu natychmiastowego promieniowania gamma. Rozwijamy metody trójwymiarowego obrazowania wewnętrznej struktury małych obiektów z mikrometrową rozdzielczością pozwalające na analizę zmian nowotworowych in vivo. Budujemy specjalizowane endoskopy dla diagnostyki i terapii wcześniaków.