Mocną stroną Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego jest najwyższa jakość badań naukowych. Potwierdzają ją liczne publikacje w prestiżowych międzynarodowych czasopismach, częste cytowania, nagrody międzynarodowe (np. w roku 2017 prof. Andrzej Udalski znalazł się w gronie laureatów niezwykle prestiżowej Nagrody im. Dana Davida¹) oraz realizowane na Wydziale krajowe i międzynarodowe projekty badawcze. Specjalistyczne laboratoria Wydziału Fizyki są wyposażone w unikalną, nowoczesną aparaturę badawczą.

Badania naukowe realizowane są w pięciu jednostkach Wydziału tj. Instytucie Fizyki Doświadczalnej (IFD), Instytucie Fizyki Teoretycznej (IFT), Instytucie Geofizyki (IGF), Obserwatorium Astronomicznym (OA) i Katedrze Metod Matematycznych Fizyki (KMMF).

W skład IFD wchodzi dziesięć Zakładów, których zainteresowania pokrywają niemal wszystkie dziedziny rozwijane współcześnie w fizyce: badania strukturalne, biofizykę, fizykę biomedyczną, fizykę cząstek elementarnych i oddziaływań fundamentalnych, fizykę ciała stałego, fizykę jądrową, optykę i dydaktykę fizyki.

Podobnie tematyka rozwijana w IFT w ramach katedr, obejmuje wszystkie współczesne dziedziny – od skal najmniejszych, w fizyce cząstek elementarnych, poprzez fizykę jądrową, atomową, optykę kwantową, fizykę statystyczną  i fizykę ciała stałego, do skal największych – w teorii grawitacji, astrofizyce i kosmologii. W ostatnich latach następuje coraz większa unifikacja metod i obszarów badawczych – wszystkie dziedziny korzystają z fizyki kwantowej i statystycznej; astrofizyka i kosmologia korzystają z teorii grawitacji, ale nie mogłyby istnieć bez teorii cząstek elementarnych i fizyki jądrowej, z kolei  fizyka cząstek czerpie z obserwacji astrofizycznych i kosmologicznych itd.

W skład IGF wchodzą trzy Zakłady. Prowadzone w nich badania obejmują swoim zakresem: procesy zachodzące w atmosferze ziemskiej, hydrodynamikę teoretyczną, budowę wnętrza Ziemi i innych planet oraz fotonikę i plazmonikę.

W OA prowadzone są badania w ramach astronomii obserwacyjnej oraz prace teoretyczne z astrofizyki.

Pracownicy KMMF zajmują się fizyka matematyczną oraz innymi dziedzinami matematyki mającymi swoje źródło w fizyce.

Prof. dr hab. Dariusz Wasik, dziekan Wydziału Fizyki UW:

Chciałbym mocno podkreślić, że priorytetem Wydziału Fizyki jest prowadzenie badań naukowych na najwyższym światowym poziomie, co z kolei gwarantuje najwyższą jakość zajęć dydaktycznych. Te dwie sfery aktywności akademickiej: badania naukowe i działalność dydaktyczne są bardzo silnie ze sobą powiązane. Nasi pracownicy współpracują z najlepszymi ośrodkami badawczymi na świecie. Według oceny Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego Wydział posiada najwyższą kategorię ośrodka badawczego, tzw. kategorię A+.

Wydział Fizyki UW zawdzięcza swoja pozycję znakomitym naukowcom. Nie jestem w stanie wymienić wszystkie grupy badawcze i ich liderów. Dlatego poniżej przedstawiam tylko kilka wybranych przykładów osiągnięć Wydziału Fizyki UW.

1. VIRGO – udział Obserwatorium Astronomicznego WF UW w odkryciu fal grawitacyjnych – prof. dr hab. Tomasz Bulik

W lutym 2016 współpraca LIGO-VIRGO ogłosiła pierwszą bezpośrednią detekcję fal grawitacyjnych. W odkryciu tym uczestniczy też naukowcy z Polski działających w grupie POLGRAW. W skład tej grupy wchodziła trójka naukowców z Wydziału Fizyki UW: prof. Krzysztof Belczyński, prof. Tomasz Bulik i dr Izabela Kowalska-Leszczyńska (obecnie nie jest pracownikiem naszego Wydziału).  Odkrycie to otworzyło nową dziedzinę astronomii: astronomię fal grawitacyjnych, było pierwszym bezpośrednim potwierdzeniem istnienia czarnych dziur, a także układów podwójnych czarnych dziur, oraz pierwszym testem Ogólnej Teorii Względności w reżimie silnych pól. W ramach UW prowadzone było szereg prac związanych z odkryciem. Prof. Belczyński i prof. Bulik prowadzili od wielu lat badania których wynikiem było przewidywanie, że najczęstszymi obiektami wykrywalnymi w falach grawitacyjnych będą podwójne czarne dziury. Okrycie i jego konsekwencje zostały przedstawione w serii prac m.in.: The Astrophysical Journal , 833, L1 (2016), Phys.Rev. X , 6, 041015 (2016), Phys.Rev. X , 6, 041014 (2016), Phys.Rev. D , 94, 064035 (2016), Phys.Rev.Lett. 116, 241103 (2016), Phys.Rev.Lett., 116, 241102 (2016), Phys.Rev.Lett.116, 221101 (2016), Phys.Rev.Lett. 116, 131103 (2016), Phys.Rev.Lett. 116, 131102 (2016). Mówiąc o falach grawitacyjnych należy przywołać przełomowe prace profesora naszego Wydziału Andrzeja Trautmana. Pod koniec lat 50-tych prof. Andrzej Trautman, napisał serię kilku prac, w których po raz pierwszy podał warunki, które musi spełniać ścisłe rozwiązanie równań Einsteina w nieskończoności, aby opisywało ono fale grawitacyjne. Było to bardzo odważne, gdyż wcześniej sam Einstein wyraził poważne wątpliwości, czy w pełnej teorii takie fale od zwartych źródeł w ogóle istnieją. Dwa lata później prof. Trautman wspólnie z Ivorem Robinsonem pokazał, że warunki te mogą być spełnione, tzn. istnieją ścisłe rozwiązania równań Einsteina opisujące fale grawitacyjne pochodzące od zwartych źródeł. Był to początek teorii, która później, po opracowaniu kolejnych przybliżeń post-newtonowskich, przybliżenia jednociałowego i niedawnego przełomu w metodach numerycznych w teorii grawitacji, doprowadziła do powstania bazy danych sygnałów niezbędnej do pierwszej detekcji tych fal w eksperymencie LIGO. Współtwórca Warszawskiej Szkoły Grawitacji prof. Andrzej Trautman z WF UW odznaczony został w 2016 r. Krzyżem Komandorskim Orderu Odrodzenia Polski za wybitne zasługi w pracy naukowo-badawczej i za osiągnięcia w międzynarodowej współpracy naukowej.

2. Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) - badania prowadzone w ramach grantu ERC Advanced Grant, seria publikacji w Nature w tym publikacja autorstwa wyłącznie polskich naukowców – prof. dr hab. Andrzej Udalski

Projekt OGLE jest wielkoskalowym fotometrycznym przeglądem nieba realizowanym przez Obserwatorium Astronomiczne WF UW. To największy w historii polskiej astronomii projekt obserwacyjny, jeden z największych przeglądów nieba na świecie. Przez 25 lat dostarcza nieprzerwanie nowych odkryć na najwyższym światowym poziomie i wytycza nowe kierunki badań we współczesnej astronomii. Prace projektu publikowane są w najbardziej prestiżowych pismach naukowych - klasy Nature/Science. W latach 2010-14 projekt był finansowany z prestiżowego grantu ERC AdG kierowanego przez prof. Andrzeja Udalskiego. W latach 2013-16 w ramach projektu opublikowano 160 prac. Najważniejsze osiągnięcia w okresie 2013-16: 1. odkrycia planet pozasłonecznych metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego, m.in. unikalnej planety pozasłonecznej w układzie podwójnym gwiazd (Science 345, 46, 2014), 2. w latach 2014-16 przeprowadzono szereg nowatorskich, równoczesnych obserwacji zjawisk mikrosoczewkowania z Ziemi (OGLE) i odległych satelitów NASA (Spitzer, Kepler) w celu wyznaczenia rozkładu układów planetarnych w Galaktyce (Ap.J. 799, 237, 2015), 3. kompleksowe badania gwiazd wybuchowych obserwowanych przez projekt OGLE.

3. Pola kwantowe i homologie węzłów - badania prowadzone w ramach grantu ERC, nagroda Kryształowej Brukselki – dr hab. Piotr Sułkowski

Od grudnia 2013 r. realizowany jest na Wydziale Fizyki UW projekt ERC Starting Grant „Quantum fields and knot homologies“ kierowany przez dr. hab. Piotra Sułkowskiego. Badania prowadzone w projekcie dotyczą związków kwantowej teorii pola z teorią węzłów, a w szczególności czterech powiązanych z sobą zagadnień: homologii węzłowych i superwielomianów, superwielomianów-A, trójwymiarowych teorii pola z rozszerzoną supersymetrią, topologicznych rekurencji i zagadnienia kwantyzacji. Partnerami w projekcie są Institute for Advanced Studies w Princeton (USA), Instituto Superior Tecnico w Lizbonie (Portugalia) oraz University of California Davis (USA). Badania odbywają się we współpracy z naukowacami z CALTECH (USA) i Institut de Physique Theorique w Saclay (Francja). Utworzona przez dr. Sułkowskiego międzynarodowa grupa badawcza liczy kilkanaście osób i współpracuje z najlepszymi ośrodkami na świecie. Kierownik projektu był dotychczas organizatorem 8 konferencji związanych z projektem (m.in. w prestiżowych ośrodkach: Banff International Research Station, Simons Center for Geometry and Physics w Stony Brook, American Institute for Mathematics), zaś uznani współpracownicy z zagranicy są częstymi gośćmi Wydziału Fizyki UW. Wyniki otrzymane dotychczas w projekcie przedstawione zostały w 22 pracach opublikowanych już w prestiżowych czasopismach naukowych (m.in. Commun. Math. Phys., JHEP, Journal of Knot Theory and its Ramifications, Scientific Reports). Dr P. Sułkowski otrzymał nagrodę Kryształowej Brukselki.

4. Półprzewodnikowe kropki kwantowe z pojedynczymi jonami magnetycznymi dla solotroniki – prof. dr hab. Piotr Kossacki

Fizyka kropek kwantowych jest jednym z gorących tematów fizyki materii skondensowanej. Uwięzienie nośników otwiera ogromne możliwości dalszych badań, a także potencjalnych zastosowań. Na Wydziale Fizyki UW wytworzono i zbadano całkowicie nowe klasy półprzewodnikowych kropek kwantowych zawierających pojedyncze jony magnetyczne. W 2013 r. dr Wojciech Pacuski z zespołem wyhodował techniką MBE pierwsze na świecie kropki zawierające pojedyncze jony kobaltu Co²⁺, a niedługo później kropki CdSe/ZnSe z jonami Mn²⁺. Było to osiągnięcie przełomowe, ponieważ wcześniej, od czasu wytworzenia pierwszych struktur z kropkami CdTe/ZnTe:Mn powszechnie uważano, że nie jest możliwe badanie kropek z innymi jonami niż Mn²⁺ ani zbudowanych z półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej. Wyniki opublikowane w pracy NatureComm. 5, 3191 (2014) zaprzeczyły temu twierdzeniu i zainicjowały nowe prace zarówno w Warszawie jak i na świecie. W wyniku tych prac na UW wytworzono kropki z jonami żelaza, zaś w konkurencyjnych ośrodkach z jonami miedzi i chromu. Prace prowadzone w Warszawie wykazały niezwykłe własności nowych układów, na przykład jon Fe2+ pod wpływem naprężenia kropki zyskuje moment magnetyczny (spin 1), podczas gdy normalnie jest on niemagnetyczny (Nature Comm. 7, 10484 (2016)). Przeprowadzono również systematyczne pomiary czasów relaksacji spinu pojedynczych jonów (Phys.Rev. B 92, 045412 (2015)), oraz po raz pierwszy zademonstrowano pomiar koherentnej ewolucji pojedynczego spinu 5/2 jonu manganu (Phys.Rev.Lett. 113, 227202 (2014)). Osiągnięcia te zostały docenione w środowisku naukowym co znalazło wyraz w zaproszeniu do wygłoszenia 8 referatów zaproszonych na dużych konferencjach międzynarodowych, w tym referatu plenarnego (P. Kossacki) na połączonych konferencjach MSS/EP2DS w 2017r.

5. Metrologia kwantowa i pamięci kwantowe, przykład znaczenia wyników badań dla rozwoju gospodarczego kraju – dr hab. Wojciech Wasilewski i dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański

W zespole W. Wasilewskiego skonstruowano kamerę czułą na pojedyncze fotony, co umożliwiło rejestrowanie przestrzennie rozdzielonych efektów wielofotonowych (Opt.Lett. 39, 5090 (2014)). We współpracy z R. Demkowiczem-Dobrzańskim i K. Banaszkiem udało się skonstruować stany optymalne pod kątem precyzyjnej metrologii (Nat.Commun. 7, 11411 (2016)), a także opracować metodę holograficznej rejestracji pojedynczych fotonów (Nat.Photonics 10, 576 (2016)). Uruchomiono przestrzennie wielomodową pamięć w gorących parach rubidu. Badania tej pamięci wykazały: możliwość sterowania oddziaływaniem atomy-światło zachodzącym w pamięci (Opt.Express 22, 26076 (2014)) oraz modem odczytywanych z pamięci fotonów (Opt.Express 24, 21995 (2016)), a także potwierdziły wielomodową naturę pamięci (Phys.Rev.Lett. 118, 063603 (2017)). W zespole R. Demkowicza-Dobrzańskiego opracowano metody teoretyczne pozwalające określić na ile kwantowe własności światła i materii mogą zostać wykorzystane do zwiększenia czułości ultra-precyzyjnych pomiarów w realistycznych warunkach eksperymentalnych (Phys.Rev.Lett. 113, 250801 (2014), Progress in Optics 60, 345 (2015)). Metody te zastosowano do wykazania optymalności wykorzystania stanów ściśniętych światła w detektorach fal grawitacyjnych (Phys.Rev. A 88, 041802(R) (2013)) oraz do znalezienia fundamentalnych ograniczeń w interferometrii atomowej (Phys.Rev.Lett. 110, 240405 (2013), Phys.Rev.Lett. 116, 120801 (2016)). Rozwinięto metody pozwalające określać fundamentalne ograniczenia na stabilizację zegarów atomowych wykorzystujących splątanie kwantowe (NewJ.Phys. 18, 083035 (2016)).

6. Konstrukcja modeli grawitacji kwantowej i badanie ich własności – prof. Dr hab. Jerzy Lewandowski

Wydział Fizyki UW jest jednym z nielicznych na świecie ośrodków, w których prowadzone są zaawansowane badania nad grawitacją kwantową. W latach 2013-16 pod kierunkiem prof. J. Lewandowskiego przeprowadzono na WF UW systematyczną konstrukcję kanonicznej pętlowej grawitacji kwantowej. Przełomowym rezultatem jest potwierdzenie stosowalności modelu jednorodnego pętlowej kosmologii kwantowej (LQC). Znaczenie międzynarodowe ośrodka z WF UW dla rozwoju kwantowej grawitacji jest potwierdzone faktem obecności w grupie prof. Lewandowskiego 6 post-doców i 3 doktorantów z zagranicy.

7. Badanie fizyki bozonu Higgsa i udział WF UW w eksperymencie CMS

Międzynarodowa współpraca naukowa CMS, w ramach której pracuje Warszawska Grupa CMS, w tym grupa badaczy z Wydziału Fizyki UW, doniosła o odkryciu nowego bozonu w pracy Phys.Lett. B716 (2012) 306, 6886 cytowań. Od tego czasu członkowie zespołu z WF UW zostali współautorami 76 publikacji w najlepszych czasopismach naukowych poświęconych tematyce doświadczalnego badania cząstki Higgsa. Grupa CMS z WF UW opracowała i przetestowała system wyzwalania o nazwie PACT, opracowała potrzebne oprogramowanie, narzędzia symulacyjne i analizy danych oraz uczestniczyła w przygotowaniu programu fizycznego CMS. Typowymi produktami rozpadów cząstek Higgsa, oraz rozpadów innych cząstek, są miony. Bez systemu PACT i wkładu Grupy Warszawskiej nie byłoby sygnałów produkcji tych cząstek i niemożliwe byłoby wykrycie i poznanie własności cząstki Higgsa. W analizie danych fizycy z Warszawy koncentrują się na rozpadach cząstek Higgsa na dwa leptony tau. Duży wysiłek zespołu warszawskiego z WF UW skierowany jest na opracowywanie technik redukcji tła w tym kanale. Tej tematyce w latach 2013-2016 poświęcone były m.in. dwa doktoraty: obroniony doktorat T. Fruboesa i będący na ukończeniu doktorat M. Olszewskiego oraz habilitacja A. Kalinowskiego. W latach 2013-2016 opublikowano z udziałem badaczy z WF UW 53 prace w najbardziej prestiżowych czasopismach właściwych dla prac z fizyki cząstek, m. in. Phys.Lett. B763 (2016) 472, JHEP 1608 (2016) 045, JHEP 1609 (2016) 051, Phys.Rev. D94 (2016) 052012, Eur.Phys.J. C76 (2016) 371, JHEP 1511 (2015) 071, Phys.Lett. B736 (2014) 371, Phys.Lett. B736 (2014) 64, Nature Phys. 10 (2014) 557, Phys.Rev.Lett. 110 (2013) 081803, Phys.Lett. B726 (2013) 564.

¹Informacja na temat nagrody im. Dana Davida:

Profesor Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego UW znalazł się w gronie laureatów tegorocznej edycji niezwykle prestiżowej Nagrody im. Dana Davida. Międzynarodowa nagroda Dan David Prize jest przyznawana corocznie przez Uniwersytet w Tel Awiwie i Fundację Dan David za osiągnięcia mające przełomowe znaczenie naukowe, technologiczne, kulturalne i społeczne dla współczesnego świata. Nagradzane są innowacyjne oraz interdyscyplinarne badania naukowe pokonujące istniejące bariery i ograniczenia.

Nagroda Dan David Prize przyznawana jest w trzech kategoriach, tzw. wymiarach czasowych, obejmujących: Przeszłość (osiągnięcia dotyczące czasów przeszłych), Teraźniejszość (osiągnięcia wzbogacające i kształtujące współczesne społeczeństwo) i Przyszłość (osiągnięcia skoncentrowane na przełomowych badaniach rokujących lepsze zrozumienie świata w przyszłości). Corocznie w każdej z tych kategorii wskazywane są konkretne dyscypliny naukowe, w których wybierani są laureaci. Wysokość nagrody Dan David Prize wynosi milion dolarów amerykańskich w każdej z kategorii. W 2017 roku wybranymi dziedzinami są: Przeszłość – archeologia w powiązaniu z naukami ścisłymi i biologicznymi, Teraźniejszość – literatura oraz Przyszłość – astronomia. Nagroda Dan David Prize mimo swej zaledwie 15-letniej historii należy już do najbardziej prestiżowych nagród naukowych na świecie.

Wśród trójki uczonych nagrodzonych w dziedzinie astronomii znalazł się prof. dr hab. Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego WF Uniwersytetu Warszawskiego. Pozostałymi laureatami w tej dziedzinie są: prof. Neil Gehrels z NASA Goddard Space Flight Center (USA), twórca niezwykle udanego projektu kosmicznego SWIFT, kładącego podwaliny astrofizyki promieniowania gamma oraz prof. Shrinivas Kulkarni z California Institute of Technology (USA) twórca fotometrycznego przeglądu nieba PTF oraz dyrektor największych na świecie obserwatoriów astronomicznych Keck na Hawajach i Mount Palomar w Kalifornii.

Prof. Andrzej Udalski, podobnie jak pozostali laureaci, został nagrodzony za wiodący wkład w rozwój nowej dziedziny badań astronomicznych – wielkoskalowych przeglądów nieba prowadzonych w szerokim zakresie skal czasowych. Stworzony przez niego wraz z astronomami z Obserwatorium Astronomicznego projekt OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) wytyczył nowe kierunki badań we współczesnej astronomii. Jest unikatowym w skali światowej projektem regularnie przynoszącym w ostatnim ćwierćwieczu niezwykle ważne i nowatorskie odkrycia naukowe.

Przyznana prof. Andrzejowi Udalskiemu nagroda Dan David Prize to jedno z największych wyróżnień naukowych dla polskiego naukowca w ostatnich kilkudziesięciu latach.

Redakcja składa szczególne podziękowanie prof. dr hab. Dariuszowi Wasikowi, dziekanowi Wydziału Fizyki UW, za przygotowanie materiału.