Катедра за физичку електронику

Катедра за физичку електронику је научно-наставна јединица Департмана за физику, чији корени сежу још до 1969. године. Научноистраживачки рад обухвата спектроскопију нискотемпературне плазме, изучавање јон-неутрал судара користећи технику вођених снопова јона (Guided Ion Beam – ГИБ), савремено компјутерско моделовање молекула и материјала применом атомистичких прорачуна и метода машинског учења (комбиновање квантномеханичких прорачуна и вештачке интелигенције у циљу предвиђања особина молекулских система и развоја нових материјала), као и спектроскопију молекуларних јона која се изводи на иностраним Универзитетима.

Поред тога, чланови Катедре су укључени у реализацију великог броја курсева на основним, мастер и докторским студијама физике. Катедра је изузетно активна у иновирању свих наставних садржаја Департмана.

Научно-истраживачка делатност Катедре огледа се и кроз висок ниво међународне видљивости, публикационих активности и присутности на престижној Станфорд листи 2% најцитиранијих истраживача. Чланови Катедре годишње укупно објављују 15-20 радова у међународним часописима са импакт фактором, што потврђује континуитет научне продуктивности и препознатљивост Катедре у наведеним областима.

Катедра негује међународну сарадњу са истраживачким групама у Европи и свету, кроз заједничке пројекте, мобилности и коауторске радове. У истраживачком раду користе се лабораторијски системи за спектроскопију плазме, јон -неутрал сударе, као и напредни софтверски пакети за атомистичко моделовање и примену метода машинског учења. Катедра подстиче активно укључивање студената у истраживачки рад; позиви студентима свих нивоа (основне, мастер и докторске студије) су отворени, а резултати оваквог ангажмана укључују учешће на конференцијама и коауторство на публикацијама у међународним часописима.

Физика јонизованог гаса и плазме на нашем факултету почиње да се изучава по повратку др Мирослава Павлова са докторских студија у Енглеској 1969. године. Сарађујући научно са групом на београдском универзитету, почео је да ствара Групу за физичку електронику и да формира експерименталну лабораторију. Крајем седамдесетих година, када је довршен први извор плазме – електромагнетне ударне Т-цеви, Групу су сачињавали:

• Др Мирослав Павлов,

• Владимир Радујков,

• Божидар Вујичић,

• Милан Станојевић.

Доласком нових чланова, Стевице Ђуровића (1975. године) и Радомира Кобиларова (1983. године) (В. Радујков је у међувремену напустио Универзитет), Група је значајно ојачала и формирала свој научни интерес. Група је 1978. прерасла у Лабораторију за физичку електронику, фокусирајући свој ужи научни интерес на Штарково ширење спектралних линија у плазми, при томе не запостављајући проблеме везане за динамику плазме, спектроскопске методе испитивања плазме и неке проблеме примењене физичке електронике. 1984 . године, Лабораторији се прикључује Зоран Мијатовић, који ради експериментални део своје докторске дисертације на новом извору плазме – зидом стабилисаном луку. Лабораторија се проширује доласком Драгана Николића 1994. и Михаеле Ћиришан 2002. године, а у међувремену Мирослав Павлов одлази у пензију. Лабораторија је променила име у Катедра за физичку електронику.

У међувремену је Катедра значајно изменила свој састав. Игор Савић (који је научну каријеру почео да гради на овој Катедри је и званично постао члан ове катедре, донео ново поље изучавања јон-неутрал судара), Теодора Гајо и Лазар Гавански су се прикључили Катедри, док су је Драган Николић и Михаела Ћиришан напустили. Божидар Вујичић, Радомир Кобиларов и Стевица Ђуровић су пензионисани. Зоран Мијатовић је преминуо. У последњих неколико година, Весна Бенгин, Наташа Симић су се укључили у рад Катедре. 2021 . године Катедри се придружује Стеван Армаковић, чиме се научне и наставне активности Катедре проширују на области рачунарске физике, моделовања молекула и материјала, машинског учења и научног програмирања. 2023 . године, Душица Крунић се придружује Катедри, као најмлађа сарадница и студенткиња докторских студија.

Катедра за физичку електронику се одликује богатим и разноврсним научним активностима, које обухватају спектроскопију и дијагностику плазме (Лазар Гавански), мерење апсолутних интегралних пресека за сударе јон-неутрал, спектроскопију молекуларних јона (Игор Савић), утицај УВ зрачења на различите материјале и комплексне молекуле (Теодора Гајо), атомистичко моделовање молекула и материјала, машинско учење и научно програмирање (Стеван Армаковић).

Спектроскопија плазме
Под спектроскопијом плазме се подразумева посматрање и анализа спектра електромагнетног зрачења емитованог из плазме. Плазма је веома јак извор електромагнетног зрачења, а анализом тог зрачења се могу добити информације о самој плазми, као што су то концентрација и температура честица у плазми. Спектроскопска мерења омогућавају изучавање ексцитационих и јонизациони процеса у плазми, испитивање регуларности унутар мултиплета, супермултиплета и прелаза, одређивање вероватноћа прелаза, као и испитивање фине структуре, стимулисане емисије и утицаја спољашњег електромагнетног поља на емисију зрачења. Поред тога, спектроскопска мерења су значајна и у астрофизици, за изучавање физичких процеса у звездама, као и у истраживањима процеса фузије.

Примена плазме је разноврна и обухвата грубу обраду материјала, попут бушења, заваривања и површинске обраде материјала. Треба истачи и деловање плазме на материјале може значајно променити њихове особине и проширити њихову примену. Осим тога, плазма се корисити и у медицини, за сечење ткива, стерилизацију инструмената, као и за уништавање материјала. Плазма се, такође, корисити и у полупроводничкој индустрији, у производњи процесора и интегријсаних кола. Као извори плазме у лабораторији Катедре за физичку електронику се користе зидом стабилисани електрични лук и електромагнетна ударна Т-цев.

Зидом стабилисани лук (Слика 1) је континуални извор плазме, на који се, по потреби, може додати струјни импулс и на тај начин користити као импулсни извор плазме, при чему се достижу веће вредности температуре и концентрације честица у плазми.

Т-цев (Слика 2) је карактеристичан извор, у којем се формира покретна плазма. Пражњењем на виском напону настаје ударни талас, који се простире кроз Т-цев и при томе загрева и јонизује гас, формирајући плазму.

Зрачење са оба поменута извора се води на улаз спектрометра (Слика 3), а након спектралног разлагања се детектује ICCD камером.

Изучавање јон-неутрал судара (мерења апсолутних интегрални пресека)

Хемијска еволуција комплексних система (нпр. јонизовани гас, плазма, интерстеларни медијум, …) се данас изучава коришћењем веома софистицираних и комплексних модела. Поузданост ових модела изузетно зависи од много параметара који описују елементарне процесе. Један од њих, можда најкритичнији, је апсолутни интегрални пресек за судар односно реакцију.

Експериментално мерење апсолутних интегралних пресека за сударе јон-неутрал (молекул), у нашој лабораторији се врши најпоузданијом методом – техником вођења снопа јона (Guided Ion Beam – GIB). Инструмент који користимо (акроним NOVion, Слика 4), пројектован је и израђен у сарадњи са колегама са TU Chemnitz и Universität zu Köln (СР Немачка).

По нашем знању, једино пет GIB инструмената (изузетно комплексни инструменти које је немогуће купити на тржишту) је оперативно у читавом свету (Orsay, Француска; Berkeley, САД; Salt Lake City, САД; Trento, Италија; Нови Сад – Србија). Сваки од ових пет инструмената се користи у различите сврхе – потврда о поузданости и универзалности технике.
Чланови катедре су фокусирани на сударе између јона и неутрала малих маса, због њиховог значаја за фундаменталну физику али и примене за разумевања комплексних система а посебно за астрофизику и физику плазме.

Спектроскопија молекуларних јона

Чланови Катедре дуги низ година раде на спектроскопији молекуларних јона који су или су потенцијално значајни за астрофизику. Поред тога, изучавају и молекуларне јоне који су од значаја за фундаменталну физику – “floppy” молекули. Истраживања се базирају на акционој спектроскопији (action spectroscopy). За разлику од других спектроскопских метода, овим техникама се не детектују апсорбовани или емитовани фотони, већ молекуларни јони и комплекси. У склопу овога, поред осталих, користи се и најновија метода – LOS (Leak-Out Spectroscopy).

Сви ови експерименти се одвијају на Universität zu Köln због изузетно скупе апаратуре коју Катедра себи не може финансијски приуштити (ни ову апаратуру није могуће комерцијално набавити).

Утицај УВ зрачења на различите материјале и комплексне молекуле

Катедра за физичку електронику је опремљена и симулатором сунчевог зрачења у УВ области из серије SUN 2000 (Слика 5), фирме Abet Technologies из Сједињених Америчких Држава, као и пратећом опремом за снимање УВ зрачења (Ocean Optics HR 2000 УВ спектрометар; Vilber Lourmat VLX 3W UV радиометар за мерење интензитета УВ зрачења у УВ-А, УВ-Б и УВ-Ц области). Извор зрачења у соларном симулатору је ксенонска лучна лампа снаге 550 W. Филтрирањем зрачења ксенонске лампе помоћу филтра AM 1.5G на излазу соларног симулатора се добија зрачење које одговара зрачењу Сунца које прође кроз Земљину атмосферу и у јединици времена пада на површину под зенитним углом од 48.19°, а помоћу дихроичног огледала се издваја зрачење из УВ дела спектра. Другим речима, овај уређај емитује зрачење у УВ делу спектра које је блиско спектру УВ зрачења које емитује Сунце, али вишеструког интензитета. Овај извор емитује колимисани сноп УВ зрачења димензија 10×10 cm са хомогеношћу од 5 %. Соларни симулатор се користи као интензиван извор УВ зрачења приликом испитивања отпорности различитих материјала на УВ зрачење, анализу хемијских реакција разлагања једињења под утицајем светлости, као и мерења у циљу одређивања SPF (Sun Protection Factor) заштитних крема за сунчање.

Атомистичко моделовање молекула и материјала

У научно-истраживачком раду, на Катедри се такође примењују и савремене атомистичке методе компјутерског моделовања ради разумевања различитих својстава молекулских и периодичних система, укључујући и интеракције међу молекулима. У овој области наша истраживања обухватају примену:

• квантномеханичких прорачуна,
• симулација молекулске динамике и
• молекулски докинг

У области квантно механичких прорачуна на нашој Катедри се примењују прорачуни и на бази таласне функције и на бази функционала густине наелектрисања. Конкретно, до сада смо најчешће примењивали прорачуне на бази функционала густине (Density Funcitonal Theory), као и полуемпиријске методе развијене од стране истраживачке групе професора Grimme-a. Такође смо примењивали и пост-HF прорачуне на бази Moeller-Plesset Perturbation Theory (MP2) и Symmetry-Adapted Perurbation Theory (SAPT).

Уопштено гледано, примена атомистичких прорачуна омогућава детаљан увид у електронску структуру, стабилност, реактивност, транспортне и оптоелектронске особине молекула и материјала. Добијени резултати користе се за предвиђање својстава нових молекулских и материјалних система, оптимизацију функционалних материјала, укључујући материјале за органску електронику и оптоелектронику, као и разумевање процеса релевантних како за физику тако и за хемију, биологију, енергетику и науку о материјалима.

Важна је и примена комбинације DFT прорачуна и Marcus-ове полуемпиријске теорије за анализу преноса наелектрисања у органским молекулима, што је кључно за развој материјала погодних за примену на бази механизма који се назива термички активирана одложена флуоресценција(TADF).

У области примене симулација молекулске динамике, превасходно смо заинтересовани за разумевање утицаја воде на реактивност органских молекула, параметре растворљивости молекула и динамичка својства полимера. Са друге стране, молекулски докинг користимо за истраживање процеса везивања молекула у биомолекулским и материјалним системима.
Оваква врста истраживања природно отвара простор за сарадњу са експерименталним групама, којима су од интереса структурна, реактивна, адсорпциона и оптоелектронска својства молекула и материјала од значаја за процесе у животној средини и енергетици.

Посебан сегмент примене атомистичких прорачуна на Катедри односи се на компјутерску спектроскопију. Примена DFT и пост-Hartree-Fock метода омогућава симулацију спектроскопских карактеристика молекула, чиме се доприноси њиховој идентификацији и интерпретацији експерименталних података. До сада смо за различите молекуле успешно симулирали НМР спектре, инфрацрвене (ИР) спектре, УВ-Вис апсорпционе спектре и Раман спектре.
У наставним активностима Департмана за физику, ова област истраживања је делимично покривена предметом „Моделовање у физици и техници“, који је обавезан предмет на трећој години основних студија на модулу „Компјутерска и ИТ физика“.

Машинско учење

Све интензивнија доступност симулационих података и резултата атомистичких прорачуна природно је отворила врата примени метода машинског учења и вештачке интелигенције за предвиђање особина материјала и убрзање истраживачког процеса.

Из тог разлога се, поред атомистичких прорачуна, на Катедри примењују и методе машинског учења (Machine Learning, ML) са циљем убрзавања истраживачких процеса и предвиђања својстава молекулских и материјалних система. У оквиру ових активности, развијамо моделе који повезују структурне и атомистичке дескрипторе са физичко-хемијским својствима материјала. Неки чланови Катедре тренутно имају фокус на развоју ML модела за предвиђање својстава јонских течности, као што су густина и вискозност. Као резултат скоријих активности из ове области, настали су и ML модели за предвиђање густине јонских телности на бази имидазолијумовог катјона. Модел је бесплатно доступан за коришћење у оквиру онлине молекулске платформе Atomistica Online 2025 (https://atomistica.online).

У наставним активностима, ова област истраживања је покривена предметом „Машинско учење“, који је обавезан предмет на другој години основних студија на модулу „Компјутерска и ИТ физика“.

Научно програмирање

Научно програмирање представља саставни део истраживачког рада на Катедри за физичку електронику. Применујемо га као подршку атомистичким прорачунима и аналитичким поступцима, кад год је потребно развити прилагођена софтверска решења која убрзавају обраду података и унапређују ток истраживања. Између осталог, научно програмирање користимо за:

• аутоматизацију процеса,
• анализу и обраду резултата симулација (филтрирање, сортирање и аналитичко поређење података добијених атомистичким прорачунима),
• статистичку обраду и визуелизацију података (цртање графика, израда табела, евалуација трендова и корелација),
• развој прилагођених скрипти и апликација у језицима као што је Python
• креирање корисничких алата који олакшавају рад истраживачима (интерфејси за рад са атомистичким софтвером, алати за екстракцију и интеграцију података).

Примена научног програмирања нам омогућава смањење времена потребног за обраду комплексних скупова података, повећање поузданости и репродуктивности резултата, лакшу интеграцију великог броја симулација у јединствене датасетове, једноставно повезивање атомистичких прорачуна са методама машинског учења. На тај начин, научно програмирање представља кључни мост између теоријских модела, рачунарских симулација и анализе података, омогућавајући ефикасан и систематичан приступ решавању истраживачких проблема.
У наставним активностима, ова област истраживања је покривена предметом „Програмирање у пyтхону“, који је обавезан предмет на првој години основних студија на модулу „Компјутерска и ИТ физика“.

Укључивање студената у научне активности Катедре

Студенти свих нивоа студија, основних, мастер и докторских, имају могућност да се укључе у текуће научно-истраживачке активности Катедре.

До сада смо у више наврата публиковали научне радове у међународним часописима у коауторству са студентима, чиме подстичемо њихов професионални развој, научну самосталност и компетенције у области научно-истраживачког рада. Учешће студената у публикованим радовима обухватало је анализу и интерпретацију резултата, примену атомистичких метода моделовања, научно програмирање, као и израду графичких презентација резултата.

Позив за укључивање студената у научне активности Катедре увек је отворен. Студенти могу да се прикључе истраживањима из области:

• компјутерског моделовања молекула и материјала,
• примене метода машинског учења у физици и материјалима,
• научног програмирања и аутоматизације симулација,
• експерименталних метода у физици плазме и јонских судара.

Ментори са Катедре пружају студентима сталну подршку кроз индивидуалан рад, транспарентну комуникацију и јасно вођене истраживачке кораке. Наш циљ је да студентима омогућимо реално искуство истраживања, укључујући учешће на конференцијама, писање научних радова и развијање вештина потребних за академску и индустријску каријеру.

Одабрани пројекти

Самостално, или у сарадњи са сродним лабораторијама и групама, Лабораторија за физичку електронику је била учесник или носилац следећих научних пројеката:

• Оптичка спектроскопија атома, молекула и плазме (1981-1985)
• Оптичка спектроскопија атома, молекула и плазме (1986-1990)
• Спектроскопија атома, молекула и плазме  (1991-1995)
• Дијагностика лабораторијских и астрофизичких плазми (1994-1999)
• Фундаменталне особине и примене радиофреквентних гасних пражњења (1994-1999)
• Спектроскопија атома, молекула и плазме (1996-2000)
• Плазма спектроскопија (1996-2000)
• Плазма и пражњења: радијациона својства и интеракција са површинама  (2001-2005 )
• Праћење и прогноза индекса УВ зрачења на територији Новог Сада (2003-2012)
• Спектралне карактеристике зрачења плазме, временски развој и карактеристике извора плазме (2006-2010)
• Анализа кумулативне дозе пацијената током спровођења радиолошке дијагностике (2011)
• Спектроскопска дијагностика нискотемпературне плазме и гасних пражњења: облици спектралних линија и интеракција са површинама (2011-2014)
• Развој метода, сензора и система за праћење квалитета воде, ваздуха и земљишта (2011-2014)
• Мерења у концепту „Паметне“ дистрибутивне мреже (2011-2014)

Од свог постанка Катедра је неговала сарадњу са реномираним домаћим и иностраним научним институцијама сродног профила. Од институција у земљи то су пре свега:

• Физички факултету Београду,
• Институт за физику у Земуну,
• Факултет техничких наука у Новом Саду,
• Медицински факултет у Новом Саду и
• Пољопривредни факултет у Новом Саду,

а од иностраних:

• Универзитет у Ополе (Пољска),
• Национални институт за стандарде и технологију (НИСТ) (Сједињене Америчке Државе),
• Универзитет у Ваљадолиду (Шпанија)
• Институт за молекуларну и атомску физику Националне академије наука, Минск (Белорусија),
• Курчатов Институт, Москва (Русија),
• Маx Планцк Институт, Греифсwалд (Немачка),
• Универзитет у Тунису (Тунис),
• Универзитет у Штокхолму (Шведска),
• Технички Универзитет у Кемницу (Немачка)
• Институт за физику, Универзитет у Келну (Немачка)
• CORIA, UMR 6614, Универзитет у Руану (Француска)

Ова сарадња се одвијала или се одвија како кроз усавршавање наших чланова у наведеним институцијама тако и кроз директну научну сарадњу. Чланови су учествовали и у страним и међународним пројектима:

• SEMETECH – Semiconductor Manufacturing Technology (1991-1993), Сједињене Америчке Државе
• FIS205-03155 Medida de regularidades atómicas de parámetros Stark de las transiciones np-nd en la serie homóloga de los gases nobles ionizados (2006-2008), Шпанија
• WUS: Monitoring of Ultraviolet radiation (2012)
• FP6 Reinforcement of  the Research Potential in Center for Meteorology and Environmental Predictions (2009-2009)
• DEG-Forschergruppe 388, TP7 (2001-2004)

Осим тога неки чланови Катедре су боравили у иностраним институцијама на усавршавању:

• The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, Trieste, (Италија),
• Culham Laboratory, Abington (Велика Британија).
• National High Temperature Surface Engineering Centre, Cranfield University, Bedfordshire (Велика Британија).
• Atomic, Molecular and Optical Experiment Group, Loomis Laboratory, Department of Physics, University of Illinois, Urbana-Champaign (Сједињене Америчке Државе)
• Laboratoire d’Étude du Rayonnement et de la Matiére en Astrophysique (DAMAP), Observatoire de Paris – Section de Meudon, Paris, (Француска)
• Ultrafast Laser Spectroscopy Group, Department of Physics, University of Illinois at Chicago (Сједињене Америчке Државе)
• Manne Siegbahn Laboratory, Stockholm University, Stockholm, (Шведска)
• Department of Physics, Stockholm University, Stockholm, (Шведска)

Било је и обрнутих случајева. Три студента докторских студија из Шпаније и један из Туниса су провели од 3 до 6 месеци на студијском боравку у нашој лабораторији.

Катедра за физичку електронику је организовала следеће научне скупове:

• 18th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases, 1966 Котор, Југославија
• 26th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases, 2012 Зрењанин, Србија
• 3rd Yugoslav Conference on Spectral Line Shapes, 1999 Бранковац, Југославија

У оквиру сарадње са привредом, чланови Катедре су учествовали у заједничким пројектима или су вршили одговарајуће услуге следећим предузећима или установама: Енергоинвест, Сарајево; Минел, Рипањ; Минел, Зрењанин; Југодент, Нови Сад; Синтелон, Бачка Паланка; Импулс хемија, Нови Сад; Сигурност, Панчево; Новкабел, Нови Сад; Галеника, Земун; Дунав-Тиса-Дунав-Канал, Нови Сад; Расина ДО, Београд; Војномедицинска Академија, Београд; Апотеке, Београд

У лабораторији Катедре за физичку електронику се могу вршити следеће услуге:

• Спектроскопска мерења
• Електрична мерења
• Услужна електроника
• УВ програм

Чланови Катедре за физичку електронику, на Основним и Мастер студијама Физике и Оптометрије, држе наставу из следећих предмета:

Основне струковне студије

• Наочална оптика и техника

Основне академске студије

• Програмирање у Python-у
• Молекуларно-кинетичка теорија гасова
• Нумеричке методе и програмирање у физици
• Машинско учење
• Основи електронике
• Основи астрономије и астрофизике
• Основе физике атома и молекула
• Физика атома и молекула
• Електронска кола
• Моделирање у физици и техници
• Мерно – инструменталне технике
• Физика јонизованих гасова
• Физичке основе сензорских технлогија
• Пројектовање у AutoCAD-у
• Физика ласера и ласерске спектроскопије

Мастер струковне студије

• Ласери у офтамологији

Мастер академске студије

• Виши курс атомске и молекулске физике
• Елементарни процеси у јонизованим гасовима
• Моделовање акустичних и електромагнетних структура
• Извори и дијагностика плазме
• Наноструктуре у електроници и сензорским елементима
• Физика и техника ласера
• Увод у физику плазме
• Увод у плазма технологије
• Дигитална кола
• Заштита од буке
• Астрономија и основе астрофизике

Докторске академске студије

• Физика плазме
• Извори плазме и технике експеримента
• Ласерска дијагностика плазме
• Нанотехнологија и промена наноматеријала
• Неконвенционално простирање акустичких и електромагнетних таласа
• Оптичка дијагностика плазме
• Примена нехомогених РФ поља у истраживању процеса са спорим јонима
• Плазмене технологије
• Ширење спектралних линија у плазми

Списак књига, збирки и монографија

• И. Савић, С. Ђуровић, Р. Кобиларов, Основи физике јонизованих гасова, Природно-математички факултет, Департман за физику, 2014.
• Ј. Јањић, И. Савић, Практикум експерименталних вежби из електротехнике, Наука, 2005.
• Лазар Гавански, Теодора Гајо, Експерименталне вежбе из физике јонизованих гасова, Природно-математички факултет у Новом Саду, 2021. (практикум)
• Стеван Армаковић, Програмирање у физици, Природно-математички факултет у Новом Саду, 2023. (уџбеник, ИСБН 978-86-7031-572-3)

Садашњи чланови Катедре за физичку електронику су:

• др Лазар Гавански, ванредни професор – руководилац катедре
• др Игор Савић, редовни професор
• др Весна Бенгин, редовни професор
• др Теодора Гајо, ванредни професор
• др Стеван Армаковић, ванредни професор
• Наташа Симић, мср, асистент
• Душица Крунић, мср, истраживач-приправник
• Золтан Нађ, мср стручни сарадник