Toegepaste Natuurkunde

Applied Physics (APHY): is een jonge en multidisciplinaire groep onderzoekers behorende tot de vakgroepen Toegepaste Natuurkunde en Fotonica (TONA) en Fysica (DNTK). Wij combineren experimenteel en theoretische onderzoek naar niet-lineaire, complexe en dynamische systemen gebruik makend van geavanceerde methodes uit de fysica. Naast fotonische systemen (zoals bv. halfgeleiderlasers en hun dynamica, fotonische metamaterialen, dissipatieve solitonen en andere spatio-temporele structuren, enz.) worden meer en meer ook andere dynamische systemen, zoals o.a. biologische systemen, neurale netwerken, enz. bestudeerd. Zie website APHY: http://we.vub.ac.be/aphy/ De huidige onderzoekslijnen illustreren het multidisciplinaire karakter van het onderzoek: - Dynamica van halfgeleiderlasers: niet-lineaire dynamica, bifurcatietheorie en theorie van stochastische processen worden toegepast op lasers, i.h.b. halfgeleiderlasers. Deze theoretische studie laat ons toe om het dynamische gedrag (bv. bi- en multistabiliteit, exciteerbaarheid) van half- geleiderlasers te bestuderen. Deze theoretische voorspellingen worden in onze labs getoetst aan experimenten. - Coherentie eigenschappen van lasers: experimentele en theoretische studie van de coherentie eigenschappen van halfgeleiderlasers en onderzoek naar methodes om de ruimtelijke coherentie op gecontroleerde wijze te veranderen. Op deze wijze kunnen we ruimtelijk incoherente emissie genereren met een laserbron. In ons onderzoek trachten we dit unieke werkingsgebied experimenteel te karakteriseren, te begrijpen, modellen te ontwerpen, te optimaliseren en toe te passen in innovatieve applicaties. - Metamaterialen: metamaterialen zijn complexe structuren die worden opgebouwd uit kleine, resonante, elektrische circuits. Deze bouwstenen zijn veel kleiner dan de golflengte van het licht, waardoor ze de elektromagnetische eigenschappen van de materialen volledig bepalen en zo de rol vervullen van de atomen uit traditionele natuurlijke materialen. Zo simuleren we bv. de elementaire metamateriaal-bouwstenen over fotonische devices gebaseerd op metamaterialen tot de ontwikkeling van metamateriaal-gebaseerde systemen met behulp van de technieken uit de transformatieoptica. - Dissipatieve solitonen: we bestuderen theoretisch de structuren die ontstaan in uitgebreide spatiale systemen in de natuur, zowel uitgestrekte patronen als gelokaliseerde structuren (spatiale of dissipatieve solitonen). We onderzoeken het dynamisch gedrag van deze solitonen (in tijd en ruimte) en trachten de onderliggende bifurcatiestructuur te ontrafelen. - Gekoppelde netwerken met tijdsvertraging (delay): we bestuderen theoretisch (kleine) netwerken van systemen (oscillatoren, lasers, enz.) die gekoppeld worden met een tijdsvertraging. Bij zulke systemen kan synchronisatie optreden, waarbij de oscillatoren trillen met dezelfde frequentie en/of fase. I.h.b. kijken we naar het bestaan en de stabiliteit van zulke gesynchroniseerde oplossingen, en de invloed van de netwerk topologie en van de delay. - Neurale netwerken gebaseerd op delay: we hebben recent aangetoond dat zulke systemen universele informatieverwerkende eigenschappen hebben (Reservoir Computing of Liquid State Machines). Met 1 enkele niet-lineaire node kunnen we dezelfde informatieverwerkende prestaties halen als met een neuraal netwerk bestaande uit 400 nodes. We onderzoeken die informatieverwerkende capaciteit verder en trachten deze te verklaren en te implementeren m.b.v. (opto)-elektronische systemen. - Dynamische modellering van biologische systemen: we bestuderen de dynamica van gen transcriptie, i.h.b. de dynamica van Toxine-Antitoxine systemen in bacteria and archaea. In samenwerking met Structural Biology Brussels bestuderen we modellen voor de gen regulatie en de functie ervan in de cel met verschillende technieken: differentiaalvergelijkingen, stochastische methoden, enz. Daarnaast zijn we recent ook begonnen met de dynamische modellering van biologische ecosystemen, zoals de darmflora, in samenwerking met de groep van J. Raes.