راهنمای جامع حوزه‌های تحقیقاتی فیزیک 2025

عدم آگاهی از مسیر پژوهشی و تحصیلی، یکی از چالش‌های جدی برای دانشجویان و محققان محسوب می‌شود. نداشتن تصویر روشن از آیندهٔ علمی می‌تواند مانع برنامه‌ریزی مناسب و آمادگی لازم برای مواجهه با فرصت‌ها و چالش‌های پیش رو شود.

این مقاله که به صورت جامع به حوزه‌های تحقیقاتی فیزیک تا امروز میپردازد به شما کمک می‌کند تا در انتخاب حوزه تحقیقاتی فیزیک موفق تر عمل کنید و تصویر روشنی از آینده خود بسازید.

انتخاب مسیر پژوهشی درست، یکی از مهم‌ترین گام‌ها برای هر دانشجو و علاقه‌مند به فیزیک است. آگاهی از شاخه‌های گوناگون این علم نه‌تنها به درک عمیق‌تر از جهان کمک می‌کند، بلکه نقش تعیین‌کننده‌ای در برنامه‌ریزی علمی و حرفه‌ای آینده دارد. فیزیک دانشی است که هم کوچک‌ترین ذرات زیراتمی و هم بزرگ‌ترین ساختارهای کیهانی را در بر می‌گیرد؛ هر شاخهٔ آن دنیایی مستقل از پرسش‌ها و فرصت‌های پژوهشی را پیش روی ما می‌گذارد. آشنایی با این حوزه‌ها می‌تواند نقطهٔ آغاز انتخابی آگاهانه برای ورود به مسیر تحقیقاتی باشد و افق‌های تازه‌ای در برابر پژوهشگران بگشاید.

در این مقاله سعی شده فهرست کاملی از موضوعات روز دنیای فیزیک ارائه دهیم تا شما پس از مطالعه ای دقیق بتوانید برای آینده خود تصمیم درستی بگیرید. پس با ما در ادامه مقاله همراه باشید.

1. اخترشناسی و اخترفیزیک (Astronomy and astrophysics)

اخترفیزیک و اخترشناسی یکی از حوزه‌های تحقیقاتی و پژوهشی فیزیک است که به مطالعهٔ ساختار، رفتار و فرایندهای اجرام آسمانی می‌پردازد. این حوزه، از بررسی اجرام نزدیک منظومهٔ شمسی گرفته تا ساختارهای عظیم کیهانی و پدیده‌های پرانرژی، چشم‌اندازی جامع از جهان در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد.

آشنایی با زیرشاخه‌های این رشته می‌تواند مسیر تحقیقاتی و انتخاب موضوعات پژوهشی را برای دانشجویان و محققان روشن‌تر کند. در ادامه با ۲۰ زیرشاخهٔ مهم این حوزه آشنا می‌شویم:

1.1. ابزارهای اخترشناسی (Astronomical instrumentation)

ابزارهای اخترشناسی همان ابزارهایی هستند که برای مشاهدهٔ اجرام و پدیده‌هایی که در فضا رخ می‌دهند، به‌کار می‌روند. این ابزار می‌توانند شامل تلسکوپ‌های زمینی یا ماهواره‌ای باشند. اجزای نوری بسیار دقیق مانند آینه‌ها و عدسی‌ها در همهٔ طول‌موج‌های طیف الکترومغناطیسی برای توسعهٔ این ابزارها حیاتی هستند.

2.1. دیسک‌های اخترفیزیکی (Astrophysical disks)

دیسک‌های اخترفیزیکی، دیسک‌های گاز و گرد و غبار هستند که پشتیبانی آن‌ها از طریق چرخش انجام می‌شود. این دیسک‌ها در مجموعه‌ای از اجرام اخترفیزیکی یافت می‌شوند؛ از سامانه‌های کوچک پیش‌سیاره‌ای و دوتایی‌های پرتو ایکس، تا دیسک‌های عظیم پیرامون سیاهچاله‌های کلان‌جرم فعال در مرکز کهکشان‌ها. آن‌ها بر اساس برهم‌کنش‌های خاص خود با اجرام والد و محیط اطرافشان، در طول‌موج‌های مختلف تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌کنند.

3.1. غبار اخترفیزیکی (Astrophysical dust)

غبار اخترفیزیکی به ذرات جامدی گفته می‌شود که اندازه‌شان بین چند مولکول تا چند میلی‌متر است و در فضا وجود دارند یا منشأ کیهانی دارند. این غبار شامل، اما محدود به، غبار دنباله‌دارها و سیارک‌ها، و همچنین غبار میان‌سیاره‌ای، میان‌ستاره‌ای و میان‌کهکشانی است.

4.1. میدان‌های مغناطیسی اخترفیزیکی (Astrophysical magnetic fields)

میدان‌های مغناطیسی توسط جریان‌های الکتریکی‌ای ایجاد می‌شوند که به‌وسیلهٔ اجرام اخترفیزیکی مختلف تولید شده‌اند. مطالعهٔ این میدان‌ها به دنبال درک خاستگاه آن‌ها، همچنین شتاب گرفتن ذرات باردار در این میدان‌هاست و شامل شبیه‌سازی‌های عددی و مطالعات رصدی مغناطیس در محیط‌های اخترفیزیکی می‌شود.

5.1. اجرام فشردهٔ اخترفیزیکی (Compact astrophysical objects)

اجرام فشرده، بقایای ستاره‌ای متراکم مانند کوتوله‌های سفید، ستارگان نوترونی و سیاهچاله‌ها هستند، همچنین انواع خاصی از این اجرام (برای مثال: تپ‌اخترها و ستارگان بوزونی) و همتایان بزرگ‌تر آن‌ها یعنی سیاهچاله‌های کلان‌جرم. مطالعهٔ این اجرام به ویژگی‌ها و شرایط بسیار شدید در اطرافشان می‌پردازد.

6.1. اخترفیزیک محاسباتی (Computational astrophysics)

اخترفیزیک محاسباتی مطالعهٔ پدیده‌هایی است که در فضا رخ می‌دهند با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای. این شامل مدل‌سازی فرایندهایی است که طی میلیون‌ها سال اتفاق می‌افتند، مانند برخورد کهکشان‌ها یا نابودی تدریجی یک ستاره توسط سیاهچاله. همچنین شامل درک پدیده‌های پرانرژی‌ای است که درون ستارگان رخ می‌دهند.

7.1. کیهان‌شناسی (Cosmology)

کیهان‌شناسی مطالعهٔ جهان است؛ تولد، تکامل و سرنوشت نهایی آن. این شامل توسعه و بهبود مدل غالب، یعنی نظریهٔ مهبانگ، بررسی نرخ انبساط جهان و اندازه‌گیری تابشی است که از مهبانگ باقی مانده؛ موسوم به تابش زمینهٔ کیهانی.

8.1. انرژی تاریک و مادهٔ تاریک (Dark energy and dark matter)

انرژی تاریک و مادهٔ تاریک به اجزای نامرئی انرژی و ماده در جهان اشاره دارند. مادهٔ تاریک ماده‌ای نامرئی و غیر‌باریونی است که برای توضیح پدیده‌هایی همچون عدسی گرانشی و منحنی‌های چرخش کهکشانی فرض شده است. انرژی تاریک تصور می‌شود که در سراسر جهان نفوذ کرده و با وجود چگالی انرژی اندک خود، مسئول شتاب‌گرفتن انبساط جهان است.

9.1. جهان آغازین (Early universe)

«جهان آغازین» به آغاز و چند میلیارد سال نخست تاریخ جهان اشاره دارد. موضوعات پژوهشی در این حوزه شامل تابش باقی‌مانده از مهبانگ (تابش زمینهٔ کیهانی)، شکل‌گیری نخستین ستارگان و کهکشان‌های با انتقال‌به‌سرخ بالا هستند.

10.1. سیاره‌های فراخورشیدی (Exoplanets)

سیاره‌های فراخورشیدی سیاراتی هستند که به دور ستاره‌هایی خارج از منظومهٔ شمسی ما می‌چرخند. مطالعهٔ آن‌ها شامل کشف، رصد و بررسی ویژگی‌های فیزیکی و جَوی آن‌ها است و می‌تواند به درک بهتر شکل‌گیری سیارات و حتی امکان وجود حیات فراتر از زمین کمک کند.

11.1. کهکشان‌ها و خوشه‌ها (Galaxies and clusters)

مجموعه‌هایی از ستارگان و دیگر اجرام نجومی در کنار هم کهکشان‌ها و خوشه‌ها  را تشکیل می‌دهند که به‌وسیلهٔ نیروهای گرانشی کنار هم نگاه داشته می‌شوند. کهکشان‌ها در گروه‌های کهکشانی سازماندهی شده‌اند که خود در خوشه‌ها جای می‌گیرند. زمین در کهکشانی به نام راه شیری قرار دارد که بخشی از گروه محلی در ابرخوشهٔ سنبله است.

12.1. نسبیت عام و گرانش (General relativity and gravity)

نسبیت عام گرانش را در چارچوبی هندسی توصیف می‌کند که تعمیمی بر نسبیت خاص و مکانیک کلاسیک است. این شاخه شامل مطالعات نظری گرانش، آزمایش‌های تجربی در زمینهٔ امواج گرانشی، مشاهدات عدسی گرانشی، همچنین آزمون‌های نسبیت عام و آزمایش‌های آزمایشگاهی است.

13.1. اخترفیزیک پرانرژی (High-energy astrophysics)

اخترفیزیک پرانرژی مطالعهٔ فرایندهایی است که درون ستارگان، سیاهچاله‌ها و ابرنواخترها رخ می‌دهند. این فرایندها با اندازه‌گیری تابش‌های الکترومغناطیسی و ذرات پرانرژی‌ای که آن‌ها منتشر می‌کنند بررسی می‌شوند، از جمله پرتوهای ایکس، فرابنفش و گاما. این مشاهدات با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تکمیل می‌شوند.

14.1. محیط میان‌ستاره‌ای (Interstellar medium)

محیط میان‌ستاره‌ای همان فضای میان ستارگان است. این محیط از گاز (عمدتاً هیدروژن و هلیوم) و غبار تشکیل شده است. مادهٔ میان‌ستاره‌ای حدود ۱۵ درصد از مادهٔ قابل مشاهده در کهکشان ما را تشکیل می‌دهد.

15.1. اخترفیزیک آزمایشگاهی (Laboratory astrophysics)

اخترفیزیک آزمایشگاهی مطالعهٔ پدیده‌های اخترفیزیکی در آزمایشگاه (زمینی یا فضایی) است. این می‌تواند شامل جنبه‌های گوناگون شیمی اختر (واکنش‌های شیمیایی تحت شرایط شدید دما، چگالی یا تابش)، فیزیک پلاسما، طیف‌سنجی، تحلیل شهاب‌سنگ‌ها، دینامیک سیالات و مغناطوهیدرودینامیک باشد.

16.1. اخترفیزیک ذرات (Particle astrophysics)

اخترفیزیک ذرات مطالعهٔ ذرات بنیادی‌ای است که در فضا حرکت کرده و به زمین می‌رسند. این پرتوهای کیهانی شامل فوتون‌ها، پروتون‌ها، ذرات آلفا و نوترینوها هستند. برخی از آن‌ها در جو به ذرات دیگر تجزیه می‌شوند، در حالی که نوترینوها می‌توانند از سراسر زمین عبور کنند بدون اینکه جذب شوند.

17.1. ستارگان (Stars)

ستارگان کره‌هایی بزرگ از پلاسما هستند، عمدتاً از هیدروژن و هلیوم. تولد، تکامل و مرگ ستارگان موضوع اصلی پژوهش‌هاست. موضوعات مهم دیگر شامل درک فرایندهای درونی مانند همجوشی هسته‌ای است که مقدار عظیمی تابش تولید می‌کنند، و نیز برهم‌کنش‌های گرانشی میان ستارگان.

18.1. تکامل ستاره‌ای (Stellar evolution)

تکامل ستاره‌ای به چرخهٔ زندگی یک ستاره اشاره دارد؛ معمولاً شامل مراحل تحول از پیش‌ستاره تا مرگ ستاره (به‌صورت ابرنواختر، سیاهچاله، ستارهٔ نوترونی یا کوتولهٔ سفید). مطالعات مرتبط شامل بررسی فرایند تکامل ستاره و مراحل آغازین (شکل‌گیری ستاره) و پایانی (انفجار یا فروریزش به جرم فشرده) زندگی ستاره است.

19.1. اخترشناسی دامنهٔ زمانی (Time-domain astronomy)

اخترشناسی دامنهٔ زمانی مطالعهٔ تغییرات اجرام نجومی در طول زمان است. این تغییرات ممکن است ناشی از حرکت یا تغییرات فیزیکی خود جرم باشد. نمونه‌ها شامل تغییرپذیری تپ‌اخترها، تغییرپذیری سیاهچاله‌های فعال، ستارگان متغیر و خورشید است. این حوزه شامل مطالعات نظری و رصدی رفتار زمان‌مند اجرام نجومی می‌شود.

20.1. پدیده‌های گذرای اخترفیزیکی (Transient astrophysical phenomena)

پدیده‌های گذرا به رویدادهای نجومی گفته می‌شود که بازهٔ زمانی آن‌ها از کسری از ثانیه تا چند هفته یا سال طول می‌کشد. معمولاً این رویدادها شدید و کوتاه‌عمر هستند و با نابودی کامل یا جزئی یک جرم اخترفیزیکی همراه‌اند. این رویدادها می‌توانند تابش در طول‌موج‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی و نیز امواج گرانشی تولید کنند. آن‌ها ممکن است بسیار درخشان باشند و از فاصله‌های کیهانی رصد شوند.

2. فیزیک اتمی و مولکولی (Atomic and molecular physics)

فیزیک اتمی و مولکولی یکی دیگر از حوزه‌های پژوهشی و تحقیقاتی فیزیک است که به مطالعهٔ رفتار ذراتی می‌پردازد که ساختار بنیادی ماده را تشکیل می‌دهند. محور اصلی این شاخه، بررسی تعامل میان الکترون‌ها و هسته است و نحوهٔ تأثیر این برهم‌کنش‌ها بر خواص شیمیایی و فیزیکی ماده را آشکار می‌سازد.

درک این تعاملات، زمینه‌ای حیاتی برای توسعهٔ فناوری‌ها و تحقیقات پیشرفته در شیمی، فیزیک و مهندسی فراهم می‌کند.

1.2. فرآیندهای برخورد اتمی و مولکولی (Atomic and molecular collision processes)

فرآیندهای برخورد اتمی و مولکولی به برهم‌کنش‌های فیزیکی اتم‌ها و مولکول‌ها زمانی که در تماس نزدیک با یکدیگر و همچنین با الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها یا یون‌ها قرار می‌گیرند، گفته می‌شود. این شامل پراکندگی الاستیک که انرژی را حفظ می‌کند و پراکندگی غیرالاستیک است. چنین برخوردهایی ابزار مهمی برای بررسی ساختار و خواص ماده محسوب می‌شوند.

2.2. برهم‌کنش اتم‌ها و مولکول‌ها با فوتون‌ها (Atomic and molecular interactions with photons)

برهم‌کنش اتم‌ها و مولکول‌ها با فوتون‌ها مطالعهٔ نحوهٔ تعامل اجزای بنیادی ماده با بسته‌های انرژی الکترومغناطیسی است. این تعامل عمدتاً توسط ساختار الکترونی اتم‌ها و مولکول‌ها تعیین می‌شود؛ جذب یا انتشار فوتون با جابه‌جایی الکترون از یک سطح انرژی به سطح دیگر همراه است.

3.2. علم آتوسکند (Attosecond science)

علم آتوسکند به مطالعهٔ فرایندهایی می‌پردازد که در مقیاس زمانی چند آتوسکند (۱۰⁻۱۸ ثانیه) یا کمتر رخ می‌دهند. نمونه‌هایی از آن شامل یونیزاسیون و بازتصادف یک الکترون از اتم یا مولکول مادر آن است. سرعت فوق‌العادهٔ این پدیده‌ها باعث می‌شود که تنها با استفاده از تکنیک‌های نوری مبتنی بر لیزرهای فوق سریع قابل بررسی باشند.

4.2. ساختار الکترونی اتم‌ها و مولکول‌ها (Electronic structure of atoms and molecules)

ساختار الکترونی اتم‌ها و مولکول‌ها، سری سطوح انرژی‌ای است که یک الکترون بسته می‌تواند در آن‌ها قرار گیرد. این ساختار الکترونی بسیاری از ویژگی‌های تعیین‌کنندهٔ یک اتم یا مولکول، از جمله خواص شیمیایی، نوری و الکتریکی آن‌ها را مشخص می‌کند.

5.2. اتم‌ها و مولکول‌های غیرعادی (Exotic atoms and molecules)

اتم‌ها و مولکول‌های غیرعادی، اشکالی از مادهٔ بنیادی هستند که در آن یک ذرهٔ زیراتمی با ذره‌ای دیگر با همان بار جایگزین شده است. به عنوان مثال، می‌توان یک الکترون را با موئون، پایون یا پادپروتون جایگزین کرد. پوزیترونیوم با جایگزینی پروتون در اتم هیدروژن با یک پوزیترون ساخته می‌شود.

6.2. ماکرومولکول‌ها و خوشه‌ها (Macromolecules and clusters)

ماکرومولکول‌ها مولکول‌های بسیار بزرگی هستند که از پلیمریزاسیون واحدهای کوچک‌تر ساخته می‌شوند. خوشه‌ها تجمع‌های بزرگی از واحدهای اتمی یا مولکولی هستند که بر اساس نوع نیرویی که آن‌ها را کنار هم نگه می‌دارد، دسته‌بندی می‌شوند. برای مثال، خوشه‌های واندروال یا خوشه‌های فلزی وجود دارند.

7.2. گازهای فوق سرد (Ultracold gases)

گازهای فوق سرد، مجموعه‌ای از اتم‌ها هستند که در دمای نزدیک به صفر مطلق نگه‌داری می‌شوند. چنین سامانه‌هایی امکان ایجاد پدیده‌های عجیب و غریب مانند چگالش بوز–اینشتین را فراهم می‌کنند. گازهای فوق سرد همچنین برای شبیه‌سازی سامانه‌های مادهٔ چگال مفید هستند، زیرا قابلیت تنظیم‌پذیری آن‌ها در دسترسی به اثراتی که در شرایط معمول دشوار است، نقش دارد.

3. فیزیک زیستی (Biological physics)

فیزیک زیستی یا اختصارا بایوفیزیک شاخه‌ای میان‌رشته‌ای است که مرز میان فیزیک و زیست‌شناسی را مورد مطالعه قرار می‌دهد. این حوزه رفتار سیستم‌های زیستی را از سطح مولکولی تا سطح کل اکوسیستم بررسی می‌کند و نشان می‌دهد چگونه قوانین فیزیکی پایه‌ای می‌توانند فرایندهای حیات را توضیح دهند.

پژوهش در بایوفیزیک به درک بهتر ساختار و دینامیک مولکول‌های زیستی، انتقال انرژی، حرکت سلولی و تعاملات پیچیده در بافت‌ها کمک می‌کند و بسیاری از نوآوری‌ها در پزشکی، مهندسی بافت و فناوری‌های زیستی از نتایج این تحقیقات نشأت گرفته‌اند.

4. فیزیک شیمیایی (Chemical physics)

فیزیک شیمیایی شاخه‌ای میان‌رشته‌ای است که به بررسی رفتار سیستم‌های شیمیایی با رویکرد فیزیکی می‌پردازد. این حوزه فرایندهای مولکولی، ساختار و خواص مواد را از منظر قوانین بنیادی فیزیک تحلیل می‌کند و ابزارهایی برای پیش‌بینی و کنترل واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌آورد.

مطالعهٔ فیزیک شیمیایی شامل طیف‌سنجی مولکولی، دینامیک مولکولی، شیمی کوانتومی و بررسی انتقال انرژی و بار در سیستم‌های پیچیده است. این رویکرد به درک عمیق‌تر واکنش‌ها، طراحی مواد جدید و توسعه فناوری‌های نوین شیمیایی کمک می‌کند.

5. فیزیک مادهٔ چگال (Condensed-matter physics)

فیزیک مادهٔ چگال یکی دیگر از حوزه‌های پژوهشی و تحقیقاتی فیزیک است که به مطالعهٔ خواص مواد در حالت‌های جامد و مایع می‌پردازد و چارچوبی برای درک رفتار الکترونی، مغناطیسی و حرارتی آن‌ها فراهم می‌کند. این شاخه زیربنای بسیاری از فناوری‌های مدرن، از نیمه‌هادی‌ها و الکترونیک مولکولی گرفته تا ابررساناها و مواد توپولوژیک است. مطالعهٔ مادهٔ چگال شامل تحلیل ساختار بلوری، برهم‌کنش ذرات و گذارهای فازی می‌شود و به توسعهٔ فناوری‌های نوین کمک می‌کند.

1.5. چگالش بوز–اینشتین (Bose–Einstein condensates)

چگالش بوز–اینشتین حالتی از ماده است که در آن تمام ذرات تشکیل‌دهنده در پایین‌ترین سطح انرژی خود قرار می‌گیرند. اصل طرد پائولی مانع از آن می‌شود که بیش از یک الکترون (نمونه‌ای از فرمیون) در هر حالت کوانتومی قرار گیرد؛ اما چنین محدودیتی برای ذراتی که بوزون نامیده می‌شوند، مانند اتم‌های هلیوم-۴ وجود ندارد.

2.5. خواص و مواد الکترونیکی (Electronic properties and materials)

خواص و مواد الکترونیکی شاخه‌ای از فیزیک مادهٔ چگال است که به بررسی ویژگی‌های الکترونی مواد می‌پردازد. این حوزه شامل مطالعهٔ هدایت الکتریکی، گاف انرژی، تحرک حامل‌های بار و نقش ساختار بلوری در رفتار الکترونی مواد است. کاربرد آن در فناوری‌های نیمه‌هادی، مواد نوری–الکترونیکی و میکروالکترونیک بسیار گسترده است.

3.5. مواد فروالکتریک و چندفروئی (Ferroelectrics and multiferroics)

مواد فروالکتریک و چندفروئی دسته‌ای از مواد هستند که تحت تأثیر میدان خارجی، خواص فیزیکی خود را تغییر می‌دهند. فروالکتریک‌ها در اثر اعمال میدان الکتریکی، قطبش الکتریکی قابل‌سوئیچ دارند. چندفروئی‌ها رفتاری مشابه «فروئی» را در دو یا چند خاصیت خود (معمولاً الکتریکی، مغناطیسی یا کشسانی) نشان می‌دهند.

4.5. فرومغناطیس (Ferromagnetism)

فرومغناطیس نوعی نظم مغناطیسی است که در آن ممان‌های مغناطیسی درونی یا اسپین‌های الکترون‌ها در هر سایت شبکهٔ بلوری همگی در یک جهت تراز می‌شوند. این پدیده مسئول خاصیت مغناطیسی موادی مانند آهن، کبالت و نیکل است.

5.5. خواص و مواد مغناطیسی (Magnetic properties and materials)

خواص و مواد مغناطیسی شامل بررسی ویژگی‌های مغناطیسی مواد و سازوکارهایی است که باعث ایجاد رفتارهای مختلف مانند فرومغناطیس، پادفرومغناطیس و فرومغناطیس ضعیف می‌شوند. این حوزه برای درک پدیده‌های اسپین، طراحی حافظه‌های مغناطیسی و توسعهٔ مواد جدید با پاسخ مغناطیسی ویژه اهمیت زیادی دارد.

6.5. الکترونیک مولکولی (Molecular electronics)

الکترونیک مولکولی استفاده از مولکول‌ها به‌عنوان بلوک‌های اصلی مدارهای الکترونیکی است. امید می‌رود که این رویکرد مولکولی ساخت مدارهایی بسیار کوچک‌تر از آنچه با نیمه‌هادی‌های متداول مانند سیلیکون امکان‌پذیر است را فراهم کند. حرکت الکترون‌ها در چنین ابزارهایی ذاتاً تحت قوانین مکانیک کوانتومی کنترل می‌شود.

7.5. گذارهای فازی و پدیده‌های بحرانی (Phase transitions and critical phenomena)

گذارهای فازی و پدیده‌های بحرانی به تغییر یک سامانه از یک رژیم یا حالت به حالت دیگر با خواص کاملاً متفاوت اشاره دارند و شامل اثرات غیرعادی‌ای هستند که در مرز میان این حالات رخ می‌دهد. تغییر حالت ماده، مانند گذار از جامد به مایع، یک نمونهٔ کلاسیک از این پدیده‌هاست.

8.5. سیالات و جامدات کوانتومی (Quantum fluids and solids)

سیالات و جامدات کوانتومی موادی هستند که در آن‌ها برهم‌کنش میان اتم‌ها یا مولکول‌ها تحت قوانین مکانیک کوانتومی قرار دارد. ویژگی‌های این مواد به‌شدت تحت تأثیر حرکت اتم‌ها حتی در پایین‌ترین حالت انرژی (معروف به حرکت نقطه-صفر) قرار دارد.

9.5. هال کوانتومی (Quantum Hall)

اثر هال کوانتومی نسخهٔ کوانتومی اثر هال است: ولتاژی که هنگام حرکت الکترون‌ها در یک میدان مغناطیسی تولید می‌شود. در مواد دوبعدی و در دماهای پایین، ماهیت کوانتومی این پدیده به‌صورت پله‌هایی در ولتاژ هال هنگام افزایش میدان مغناطیسی آشکار می‌شود.

10.5. نیمه‌هادی‌ها (Semiconductors)

نیمه‌هادی‌ها موادی هستند که دارای گاف انرژی الکترونی کوچک‌اند. این گاف انرژی مانع از جریان یافتن جریان الکتریکی در صفر مطلق می‌شود، اما حامل‌های باری که به‌طور گرمایی برانگیخته شده‌اند می‌توانند در دماهای بالاتر جریان ایجاد کنند. نیمه‌هادی‌ها، به‌ویژه سیلیکون، قلب صنعت میکروالکترونیک مدرن را تشکیل می‌دهند و همچنین در منابع و آشکارسازهای نوری کاربرد دارند.

11.5. اسپینترونیک (Spintronics)

اسپینترونیک استفاده از خاصیت بنیادی ذرات به نام اسپین برای پردازش اطلاعات است. از بسیاری جهات، اسپینترونیک شبیه به الکترونیک است که در آن از بار الکتریکی الکترون استفاده می‌شود. حمل اطلاعات هم‌زمان در بار و اسپین الکترون می‌تواند ابزارهایی با تنوع عملکردی بسیار بیشتر فراهم کند.

12.5. ساختار جامدات و مایعات (Structure of solids and liquids)

ساختار جامدات و مایعات به مطالعهٔ ویژگی‌های فیزیکی ماده‌ای می‌پردازد که در آن برهم‌کنش غیرقابل‌چشم‌پوشی بین اتم‌ها یا مولکول‌های تشکیل‌دهنده وجود دارد. در حالی که اتم‌ها یا مولکول‌ها در مایع آزادانه حرکت می‌کنند، در جامدات حرکت آن‌ها به ارتعاش در اطراف یک نقطهٔ ثابت محدود می‌شود.

13.5. خواص و مواد ابررسانا (Superconducting properties and materials)

خواص و مواد ابررسانا به بررسی موادی می‌پردازد که می‌توانند در دماهای پایین، جریان الکتریکی را بدون هیچ مقاومتی هدایت کنند. این شاخه شامل مطالعهٔ ویژگی‌های بنیادی ابررسانایی، طراحی مواد ابررسانای جدید و کاربردهای آن در زمینه‌هایی چون آهنرباهای قوی، انرژی پاک و رایانش کوانتومی است.

14.5. سطوح، فصل‌مشترک‌ها و لایه‌های نازک (Surfaces, interfaces and thin films)

سطوح، فصل‌مشترک‌ها و لایه‌های نازک ساختارهای مسطحی هستند که در مرز یک ماده یا در محل اتصال میان دو محیط متفاوت به‌وجود می‌آیند. فیزیک این سامانه‌ها اغلب به‌شدت تحت تأثیر ماهیت دوبعدی آن‌ها قرار دارد.

15.5. مادهٔ توپولوژیک (Topological matter)

مادهٔ توپولوژیک به سامانه‌هایی اشاره دارد که برای توصیف ویژگی‌های آن‌ها نیاز به توپولوژی است. این شامل موادی با نقص‌های توپولوژیک مانند اسکایرمین‌ها یا مدهای لبه‌ای توپولوژیک محافظت‌شده است، مانند عایق‌های توپولوژیک و فازهای توپولوژیک حفاظت‌شده توسط تقارن، از جمله عایق‌های بلوری توپولوژیک و نیمه‌رساناهای دیراک/وِیل.

6. الکترونیک، فوتونیک و فیزیک دستگاه‌ها (Electronics, photonics and device physics)

این شاخه، نقطهٔ اتصال علوم پایه و فناوری است و بررسی رفتار جریان الکترون‌ها و نور در دستگاه‌ها را هدف قرار می‌دهد. الکترونیک بر مبنای حرکت الکترون‌ها و فوتونیک بر اساس رفتار نور عمل می‌کند.

پژوهش‌ها در این حوزه عمدتاً بر طراحی و کوچک‌سازی قطعات با عملکرد بالا متمرکز هستند، که امکان توسعهٔ میکروچیپ‌های مدرن، لیزرها و ابزارهای نوری پیشرفته را فراهم کرده است.

1.6. دستگاه‌های الکترونیکی و اسپینترونیکی (Electronic and spintronic devices)

دستگاه‌های الکترونیکی و اسپینترونیکی ابزارهایی هستند که از ویژگی‌های الکترون برای انتقال، پردازش و ذخیرهٔ اطلاعات استفاده می‌کنند. در دستگاه‌های الکترونیکی، داده‌ها با استفاده از بار الکتریکی الکترون رمزگذاری می‌شوند. در مقابل، دستگاه‌های اسپینترونیکی از ویژگی بنیادی دیگری به نام اسپین – تکانهٔ زاویه‌ای ذاتی الکترون – بهره می‌برند.

2.6. اپتومکانیک (Optomechanics)

اپتومکانیک استفاده از نور لیزر برای کنترل حرکت ارتعاشات مکانیکی است؛ معمولاً در رزونانس‌گرهایی در مقیاس میکرومتر یا نانومتر. نور علاوه بر بررسی حرکت مکانیکی، می‌تواند انرژی را از سامانه خارج کند. به این ترتیب، یک نوسانگر می‌تواند به حد کوانتومی برسد و تنها با یک کوانتوم از انرژی ارتعاشی – یا فونون – توصیف شود.

3.6. ابزارهای فوتونیکی (Photonic devices)

ابزارهای فوتونیکی قطعاتی هستند برای تولید، دست‌کاری یا آشکارسازی نور. این ابزارها شامل دیودهای لیزری، دیودهای ساطع‌کنندهٔ نور، سلول‌های خورشیدی و فتوولتائیک، نمایشگرها و تقویت‌کننده‌های نوری می‌شوند. نمونه‌های دیگر عبارت‌اند از ابزارهایی برای مدوله‌سازی پرتو نور و نیز ترکیب یا جداسازی پرتوهای نوری با طول‌موج‌های متفاوت.

4.6. دستگاه‌های ابررسانا (Superconducting devices)

دستگاه‌های ابررسانا ابزارهای الکترونیکی هستند که از ویژگی رسانایی بدون مقاومت در ابررساناها بهره می‌برند. این دستگاه‌ها در حسگرهای نوری بسیار حساس، آشکارسازهای میدان مغناطیسی و تقویت‌کننده‌های کم‌نویز به‌کار می‌روند. همچنین مدارهای ابررسانا یکی از انواع ممکن کیوبیت – بلوک‌های سازندهٔ رایانه‌های کوانتومی – به شمار می‌روند.

7. دینامیک سیالات (Fluid dynamics)

دینامیک سیالات یکی از حوزه‌های تحقیقاتی فیزیک است که به مطالعهٔ حرکت و رفتار سیالات شامل مایعات، گازها و پلاسما می‌پردازد. این حوزه قوانین بنیادین مکانیک سیالات را برای تحلیل جریان‌های پیچیده در شرایط گوناگون به کار می‌گیرد. نمونه‌های کاربردی گسترده آن شامل جریان آب در لوله‌ها، آیرودینامیک هواپیماها، جریان خون در بدن، و رفتار پلاسما در ستارگان و محیط‌های اخترفیزیکی است.

مطالعات دینامیک سیالات هم بر مدل‌های تحلیلی و عددی و هم بر مشاهدات آزمایشگاهی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری تکیه دارند تا پیش‌بینی دقیق جریان‌ها و برهم‌کنش‌های پیچیدهٔ سیالات ممکن شود.

8. نظریهٔ اطلاعات و محاسبات (Information theory and computation)

نظریهٔ اطلاعات و محاسبات یکی دیگر از حوزه‌های تحقیقاتی فیزیک است که به تحلیل، پردازش و انتقال داده‌ها می‌پردازد. این حوزه با استفاده از مفاهیم بنیادین مانند بیت و آنتروپی اطلاعاتی، به بررسی نحوهٔ فشرده‌سازی داده‌ها، رمزنگاری امن و طراحی الگوریتم‌های بهینه می‌پردازد. کاربردهای آن گسترده و کلیدی هستند: از زیرساخت‌های اینترنت و ارتباطات دیجیتال گرفته تا سامانه‌های هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و سامانه‌های بزرگ داده.

پژوهش در این شاخه به توسعهٔ الگوریتم‌ها و روش‌هایی می‌انجامد که بتوانند داده‌های حجیم را با حداقل هزینهٔ محاسباتی و بیشترین دقت تحلیل و انتقال دهند.

9. فیزیک هسته‌ای (Nuclear physics)

فیزیک هسته‌ای یکی دیگر ازحوزه‌های پژوهشی و تحقیقاتی فیزیک است که به به مطالعهٔ ساختار و پدیده‌های درون هستهٔ اتم می‌پردازد، جایی که پروتون‌ها و نوترون‌ها تحت تأثیر نیروی هسته‌ای قوی کنار هم قرار می‌گیرند. این شاخه تلاش می‌کند تا سازوکارهای بنیادی در همجوشی هسته‌ای در ستارگان، واکنش‌های شکافت هسته‌ای در زمین و کاربردهای فناوری هسته‌ای را درک کند.

پژوهش‌های هسته‌ای همچنین امکان تولید عناصر فوق‌سنگین و استفاده از رادیوایزوتوپ‌ها در پزشکی و صنعت را فراهم می‌آورد.

1.9. فیزیک هسته‌ای تجربی (Experimental nuclear physics)

فیزیک هسته‌ای تجربی به بررسی عملی فرآیندهایی می‌پردازد که در قلب اتم رخ می‌دهند. این شامل تلاش برای درک بهتر پدیده‌های همجوشی (Fusion) و شکافت (Fission) هسته‌ای و به‌کارگیری آن‌ها برای تولید پایدار انرژی است. دیگر حوزه‌های مطالعه شامل تولید عناصر فوق‌سنگین و همچنین کاربرد مواد رادیواکتیو در پزشکی می‌شود.

2.9. اخترفیزیک هسته‌ای (Nuclear astrophysics)

اخترفیزیک هسته‌ای به مطالعه فرآیندهای هسته‌ای می‌پردازد که به‌طور طبیعی در فضا رخ می‌دهند. به‌ویژه شامل درک زنجیرهٔ واکنش‌های همجوشی یا هسته‌زایی (Nucleosynthesis) در ستارگان است و اینکه چگونه می‌توان این فرآیندها را از فاصلهٔ دور، از طریق اندازه‌گیری پرتوهایی که تولید می‌کنند، شناسایی کرد.

3.9. عناصر فوق‌سنگین (Superheavy elements)

عناصر فوق‌سنگین عناصری هستند که تعداد پروتون‌های زیادی در هستهٔ خود دارند. عناصری با بیش از ۹۲ پروتون ناپایدارند؛ آن‌ها به هسته‌های سبک‌تر تجزیه می‌شوند و نیمه‌عمر مشخصی دارند. این ویژگی باعث می‌شود عناصر فوق‌سنگین به‌طور طبیعی (یا اصلاً) در زمین به‌مقدار زیاد وجود نداشته باشند و تنها برای مدت کوتاهی در شرایط بسیار کنترل‌شده به‌وجود آیند.

4.9. فیزیک هسته‌ای نظری (Theoretical nuclear physics)

فیزیک هسته‌ای نظری به توسعه مدل‌هایی برای توصیف هسته و فرآیندهایی که درون آن رخ می‌دهند می‌پردازد. این شامل درک شکل هسته و همچنین توضیح اینکه چرا هسته‌هایی با تعداد مشخصی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها (اعداد موسوم به “اعداد جادویی”) پایدارتر از دیگر هسته‌ها هستند، می‌شود.

10. فیزیک اپتیک (Optical physics)

فیزیک اپتیک یکی دیگر از حوزه‌های پژوهشی و تحقیقاتی فیزیک است که به مطالعهٔ نور و رفتار آن در محیط‌های مختلف می‌پردازد. این شاخه قوانین کلاسیکی مانند شکست، انعکاس و تداخل را بررسی می‌کند و همزمان رفتار کوانتومی فوتون‌ها را نیز تحلیل می‌کند. فیزیک نوری پایهٔ فناوری‌های نوین مانند لیزرها، ارتباطات نوری، سنجش‌های دقیق و پردازش اطلاعات کوانتومی است.

1.10. اپتیک اتمی (Atom optics)

اپتیک اتمی به مطالعه ویژگی‌های موج‌مانند پرتوهای اتمی می‌پردازد. دوگانگی موج–ذره، که یکی از اصول بنیادی مکانیک کوانتومی است، نشان می‌دهد که پدیده‌هایی که به‌طور سنتی به امواج نسبت داده می‌شوند، مانند تداخل و پراش، می‌توانند در ذرات منفرد نیز مشاهده شوند.

2.10. تولید هارمونیک‌های مرتبه‌بالا (High-harmonic generation)

تولید هارمونیک‌های مرتبه‌بالا به فرآیندی گفته می‌شود که در آن تابش نوری با شدت بالا (معمولاً از لیزرهای فوق‌سریع) با ماده برهم‌کنش کرده و پرتوهایی با فرکانس‌هایی بسیار بالاتر از فرکانس اولیه ایجاد می‌کند. این پدیده برای تولید نور ماوراءبنفش شدید و حتی پرتوهای ایکس نرم کاربرد دارد و ابزاری کلیدی در علوم لیزر و اپتیک غیرخطی است.

3.10. مغناطواپتیک (Magneto-optics)

مغناطواپتیک به استفاده از میدان‌های مغناطیسی برای تأثیرگذاری بر انتشار نور می‌پردازد. این معمولاً شامل تغییر ویژگی‌های فیزیکی محیطی است که نور در آن حرکت می‌کند. نمونه‌ای از این پدیده اثر فاراده است که در آن قطبش نور به اندازه‌ای متناسب با شدت میدان مغناطیسی می‌چرخد.

4.10. میکرو‌اپتیک (Micro-optics)

میکرو‌اپتیک به سامانه‌های نوری گفته می‌شود که اندازه‌ای بین چند میکرومتر تا یک میلی‌متر دارند. این شامل لنزهای کوچک یا آرایه‌ای از لنزها، و فیبرهای نوری با قطر هسته میکروسکوپی است. چنین اجزای نوری کوچکی در اپتیک مجتمع اهمیت فراوان دارند.

5.10. نانوفوتونیک و پلاسمونیک (Nanophotonics and plasmonics)

نانوفوتونیک و پلاسمونیک مطالعه نور در مقیاس نانومتری است. نور به‌طور معمول فقط تا نقطه‌ای به اندازه نصف طول‌موج خود (چند صد نانومتر برای نور مرئی) می‌تواند متمرکز شود. این محدودیت با کوپل کردن نور به الکترون‌های سطح یک فلز و ایجاد پلاسمون‌های سطحی قابل عبور است.

6.10. اپتیک غیرخطی (Nonlinear optics)

اپتیک غیرخطی به مطالعه چگونگی برهم‌کنش نور شدید با ماده می‌پردازد. پاسخ نوری یک ماده معمولاً متناسب با دامنه میدان الکتریکی است، اما در شدت‌های بالا این رابطه می‌تواند تغییر کند. این امر به اثرات غیرخطی‌ای مانند خودکانونی، سولیتون‌ها و تولید هارمونیک‌های مرتبه‌بالا منجر می‌شود.

7.10. پولاریتون‌ها (Polaritons)

پولاریتون‌ها ذرات ترکیبی هستند که از جفت‌شدن قوی یک فوتون با یک دوقطبی الکتریکی به‌وجود می‌آیند. نمونه‌هایی از این دوقطبی‌ها شامل جفت الکترون–حفره در نیمه‌رساناها (که پولاریتون اکسیتون ایجاد می‌کند) و الکترون‌های نوسانی در سطح یک فلز (که پولاریتون پلاسمون سطحی تشکیل می‌دهند) است.

8.10. اپتیک کوانتومی (Quantum optics)

اپتیک کوانتومی به مطالعه برهم‌کنش کوانتای منفرد نور، یعنی فوتون‌ها، با اتم‌ها و مولکول‌ها می‌پردازد. این حوزه شامل بررسی ویژگی‌های ذره‌مانند فوتون‌ها است. فوتون‌ها برای آزمودن بسیاری از پیش‌بینی‌های شهودستیز مکانیک کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی و تله‌پورتاسیون به کار رفته‌اند و منبعی مهم در پردازش اطلاعات کوانتومی محسوب می‌شوند.

9.10. فوتون‌های منفرد و پدیده‌های کوانتومی (Single photons and quantum effects)

فوتون‌های منفرد و پدیده‌های کوانتومی به مطالعه تولید، آشکارسازی و استفاده از فوتون‌های تکی در فرآیندهای اپتیکی و اطلاعاتی می‌پردازد. این حوزه شامل کاربرد فوتون منفرد در رمزنگاری کوانتومی، محاسبات کوانتومی و آزمایش‌های بنیادی درباره رفتار موج–ذره است.

11.10. نور کُند (Slow light)

نور کُند موج الکترومغناطیسی‌ای است که سرعت گروهی آن به دلیل رزونانس‌های نوری در محیطی که در آن حرکت می‌کند کاهش می‌یابد. این رزونانس‌ها می‌توانند در بخارهای اتمی، کریستال‌های فوتونی یا از طریق فرآیندهای غیرخطی در فیبرهای نوری رخ دهند. نور کُند می‌تواند در حافظه‌های نوری کاربرد عملی پیدا کند.

12.10. سولیتون‌ها (Solitons)

سولیتون‌ها امواجی هستند که تنها یک قله دارند. آن‌ها زمانی پدید می‌آیند که گرایش طبیعی یک موج به پخش شدن هنگام انتشار، توسط پدیده‌ای ذاتی و غیرخطی به نام خودکانونی خنثی می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود سولیتون‌ها مسافت‌های طولانی را بدون تغییر شکل طی کنند.

13.10. اپتیک زیرطول‌موج (Sub-wavelength optics)

اپتیک زیرطول‌موج مطالعه نور در مقیاسی کوچکتر از طول‌موج آن است. به‌طور معمول، حداقل مقیاسی که یک پرتو نور می‌تواند در آن عمل کند نصف طول‌موج است. با این حال، با کوپل کردن نور به ماده می‌توان اثرات فوتونی را در مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر نیز مشاهده کرد.

14.10. تولید ابرپیوستار (Supercontinuum generation)

تولید ابرپیوستار ترکیبی از اثرات اپتیک غیرخطی است که باعث پهن شدن طیفی یک پرتو لیزر تقریباً تک‌رنگ می‌شود. این پدیده، برای نمونه، می‌تواند با ارسال یک پالس کوتاه و پرشدت نور در یک فیبر نوری فوتونیک-کریستال ایجاد شود. ابرپیوستار به‌عنوان منبعی پرقدرت از نور سفید کاربرد دارد.

15.10. اپتیک تراهرتز (Terahertz optics)

اپتیک تراهرتز شاخه‌ای از اپتیک و فوتونیک است که به مطالعه تابش الکترومغناطیسی با طول‌موجی بین ۰٫۱ تا ۱ میلی‌متر می‌پردازد؛ این بازه فرکانسی حدود یک تراهرتز (یک تریلیون هرتز) است. تابش تراهرتز در کاربردهایی مانند بازرسی امنیتی، تصویربرداری پزشکی و ارتباطات پرسرعت اهمیت دارد.

16.10. اپتیک تبدیل (Transformation optics)

اپتیک تبدیل روشی است که با تغییر دستگاه مختصات، مدل‌سازی دستگاه‌های نوری را ساده می‌کند؛ یعنی با “پیچاندن” فضا می‌توان مسیر پرتوهای نور را کنترل کرد. این ابزار ریاضی به‌ویژه در توسعه متامتریال‌ها کاربرد فراوانی پیدا کرده است.

17.10. فوتونیک فوق‌سریع (Ultrafast photonics)

فوتونیک فوق‌سریع به مطالعه نور و برهم‌کنش آن با ماده در مقیاس‌های زمانی بسیار کوتاه (کمتر از یک پیکوثانیه) می‌پردازد. این شامل بررسی فرآیندهایی مانند دینامیک و همبستگی الکترون‌ها در حین یونش است و اغلب از لیزرهای فوق‌سریع یا لیزرهای قفل مد استفاده می‌کند.

18.10. پرتوهای ایکس (X-rays)

پرتوهای ایکس نوعی تابش الکترومغناطیسی با طول‌موج بین ۰٫۰۱ تا ۱۰ نانومتر هستند که روشی مهم برای بررسی ساختار اتمی مواد بلوری و ساختارهای نانومتری به شمار می‌روند. همچنین کهکشان‌ها و خوشه‌های دوردست را می‌توان از طریق پرتوهای ایکسی که ساطع می‌کنند شناسایی کرد.

11. فیزیک ذرات (Particle physics)

فیزیک ذرات یکی دیگر از حوزه‌های تحقیقاتی و پژوهشی فیزیک است که به بررسی بنیادی‌ترین اجزای ماده و نیروهای میان آن‌ها می‌پردازد. مدل استاندارد با معرفی کوارک‌ها، لپتون‌ها و بوزون‌ها تصویری جامع از ساختار بنیادی جهان ارائه می‌دهد. این شاخه به ما امکان می‌دهد تا سازوکارهای درونی ماده، نیروهای بنیادی و فرایندهای رخ داده در لحظات نخستین جهان را درک کنیم.

1.11. فیزیک ذرات تجربی (Experimental particle physics)

فیزیک ذرات تجربی به بررسی عملی اجزای بنیادی ماده و تابش می‌پردازد. یکی از ابزارهای کلیدی در اختیار فیزیکدانان ذرات تجربی، شتاب‌دهنده‌های ذرات است. ذرات بنیادی که ماده را تشکیل می‌دهند، می‌توانند زمانی که ذرات در سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور با هم برخورد می‌کنند، برای لحظات کوتاهی آشکار شوند.

2.11. اخترفیزیک ذرات (Particle astrophysics)

اخترفیزیک ذرات مطالعه ذرات بنیادی است که در فضا حرکت می‌کنند، به‌ویژه آن‌هایی که به زمین می‌رسند. این پرتوهای کیهانی شامل فوتون‌ها، پروتون‌ها، ذرات آلفا و نوترینوها هستند. برخی از این ذرات در جو به ذرات دیگر واپاشی می‌کنند، در حالی که نوترینوها می‌توانند بدون جذب شدن از سراسر زمین عبور کنند.

3.11. فنومنولوژی (Phenomenology)

فنومنولوژی در فیزیک ذرات شاخه‌ای نظری است که پل ارتباطی میان مدل‌های بنیادی و داده‌های تجربی ایجاد می‌کند. این حوزه به پیش‌بینی کمّی نتایج قابل اندازه‌گیری از نظریه‌ها می‌پردازد و امکان مقایسه دقیق با آزمایش‌ها را فراهم می‌کند. به بیان دیگر، فنومنولوژی تلاشی است برای تبدیل نظریه‌های انتزاعی به پیش‌بینی‌های قابل آزمون در شتاب‌دهنده‌ها و رصدهای اخترفیزیکی.

4.11. فیزیک ذرات نظری (Theoretical particle physics)

فیزیک ذرات نظری به توسعه مدل‌هایی برای توصیف ذرات بنیادی و برهم‌کنش‌های آن‌ها می‌پردازد. این حوزه شامل آزمون و بهبود نظریه غالب، یعنی مدل استاندارد، است. همچنین فیزیک ذرات نظری می‌تواند توسعه ابزارهای محاسباتی موردنیاز برای تحلیل حجم عظیم داده‌های حاصل از آزمایش‌های برخورددهندهٔ ذرات را نیز دربرگیرد.

12. فیزیک پلاسما (Plasma physics)

یکی دیگر از حوزه‌های پژوهشی و تحقیقاتی فیزیک پلاسما می باشد. پلاسما، که به آن حالت چهارم ماده نیز گفته می‌شود، سامانه‌ای از ذرات باردار است که رفتار جمعی آن‌ها تحت اثر میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی مطالعه می‌شود. پلاسماها در محیط‌های طبیعی، مانند ستارگان، تاج خورشیدی و بادهای خورشیدی، حضور دارند و در فناوری‌های نوین نیز اهمیت حیاتی دارند؛ از جمله در راکتورهای همجوشی هسته‌ای و ابزارهای شتاب‌دهنده ذرات. فیزیک پلاسما به بررسی رفتار پرانرژی ذرات، نوسانات، برهم‌کنش‌های پیچیده میان ذرات و میدان‌ها، و پایداری سامانه‌های پلاسما می‌پردازد.

1.12. پلاسماهای اخترفیزیکی (Astrophysical plasmas)

پلاسماهای اخترفیزیکی، پلاسماهایی هستند که در فضا وجود دارند. این شامل پلاسمایی می‌شود که ستارگان را تشکیل می‌دهد. خورشید به‌طور مداوم پلاسمایی به نام باد خورشیدی منتشر می‌کند که می‌تواند بر ماهواره‌های مدار زمین تأثیر بگذارد و شفق‌های قطبی ایجاد کند. همچنین پلاسما در فضای میان‌ستاره‌ای نیز یافت می‌شود.

2.12. پلاسماهای لیزری (Laser-produced plasmas)

پلاسماهای لیزری پلاسماهایی هستند که با تاباندن پرتوهای نوری با شدت بالا ایجاد می‌شوند. از پلاسماهای لیزری برای تولید پالس‌های کوتاه پرتو ایکس و شتاب دادن به ذرات (شتاب‌دهنده‌های مبتنی بر پلاسما) استفاده شده است. همچنین پلاسماهای لیزری در بازآفرینی پلاسماهای اخترفیزیکی در آزمایشگاه نیز کاربرد دارند.

3.12. پلاسماهای محصور مغناطیسی (Magnetically confined plasmas)

پلاسماهای محصور مغناطیسی، پلاسماهایی هستند که توسط میدان‌های مغناطیسی به دام افتاده‌اند. میدان‌های مغناطیسی می‌توانند مانع تماس پلاسماهای داغ با مواد جامدی شوند که در غیر این صورت می‌توانند آسیب ببینند یا نابود شوند. پلاسماهای محصور مغناطیسی یکی از مسیرهای ممکن برای دستیابی به همجوشی هسته‌ای پایدار به شمار می‌روند.

4.12. شتاب‌دهنده‌های مبتنی بر پلاسما (Plasma-based accelerators)

شتاب‌دهنده‌های مبتنی بر پلاسما از پلاسما برای افزایش انرژی جنبشی ذرات باردار مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و یون‌ها استفاده می‌کنند. این شتاب‌دهنده‌ها معمولاً از پلاسماهای لیزری بهره می‌برند که در آن تعادل بار به‌طور موضعی شکسته می‌شود. رویکرد مبتنی بر پلاسما امکان ساخت دستگاه‌هایی بسیار کوچک‌تر از شتاب‌دهنده‌های ذرات متداول را فراهم می‌کند.

13. فیزیک کوانتومی (Quantum physics)

یکی دیگر از حوزه‌های پژوهشی و تحقیقاتی فیزیک؛ فیزیک کوانتومی است که قوانین کلاسیک فیزیک در آن دیگر صدق نمی‌کنند. در این سطح، انرژی و ماده در قالب بسته‌هایی مجزا به نام کوانتوم ظاهر می‌شوند و ذرات رفتار موج‌گونه دارند، در حالی که موج‌ها نیز می‌توانند خواص ذره‌ای از خود نشان دهند. این شاخه علمی پایهٔ بسیاری از فناوری‌های مدرن و آینده، از جمله رایانه‌های کوانتومی، حسگرهای فوق دقیق و ارتباطات ایمن کوانتومی است.

1.13. امواج ماده و پرتوهای ذرات (Matter waves and particle beams)

امواج ماده و پرتوهای ذرات شاخه‌ای از فیزیک هستند که به بررسی خواص موج‌گونه ذرات (بر اساس دوگانگی موج-ذره) و همچنین فناوری‌های تولید، هدایت و استفاده از پرتوهای ذرات می‌پردازد. این حوزه هم در تحقیقات بنیادی و هم در کاربردهایی مثل میکروسکوپ‌های الکترونی و شتاب‌دهنده‌های ذرات نقش اساسی دارد.

2.13. اطلاعات کوانتومی (Quantum information)

اطلاعات کوانتومی، حل مسئله و پردازش داده‌ها با استفاده از یک سامانه کوانتومی به‌عنوان حامل اطلاعات است، به‌جای صفر و یک‌های باینری در محاسبات کلاسیک. سیستم‌های اطلاعات کوانتومی می‌توانند داده‌هایی را منتقل کنند که از نظر بنیادی ایمن‌اند و مسائلی را حل کنند که فراتر از توان رایانه‌های امروزی است.

3.13. مکانیک کوانتومی (Quantum mechanics)

مکانیک کوانتومی مطالعه دینامیک ذرات در بنیادی‌ترین سطح است. حالت یک ذره، مانند مکان یا تکانهٔ آن، با یک توزیع آماری توصیف می‌شود که توسط تابع موج تعیین می‌گردد. همان‌طور که نامش نشان می‌دهد، این فرمالیسم به ماده ویژگی‌هایی می‌دهد که به‌طور کلاسیکی به امواج نسبت داده می‌شود.

4.13. مترو‌لوژی کوانتومی (Quantum metrology)

مترو‌لوژی کوانتومی از کوانتا — بسته‌های مجزای انرژی — برای تعیین استانداردهای واحدهای اندازه‌گیری و پژوهش‌های دقیق استفاده می‌کند. مکانیک کوانتومی حد نهایی دقت هر اندازه‌گیری را تعیین می‌کند. بنابراین مترو‌لوژی کوانتومی از اثرات کوانتومی برای افزایش دقت فراتر از روش‌های کلاسیک بهره می‌برد.

5.13. شبیه‌سازی کوانتومی (Quantum simulation)

شبیه‌سازی کوانتومی شاخه‌ای از فیزیک است که از سامانه‌های کوانتومی کنترل‌شده برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی سامانه‌های پیچیده استفاده می‌کند. این روش به پژوهشگران امکان می‌دهد رفتار سیستم‌هایی را که حل تحلیلی یا شبیه‌سازی کلاسیکی آن‌ها غیرممکن است، با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی بازسازی کنند.

6.13. کیوبیت‌ها (Qubits)

کیوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی، بنیادی‌ترین واحد اطلاعات در پردازش‌های کوانتومی هستند. در حالی که رایانه‌های کلاسیک داده‌ها را به‌صورت رشته‌ای از صفر و یک ذخیره و پردازش می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی از ویژگی‌های سامانه‌های کوانتومی مانند قطبش فوتون یا اسپین الکترون برای نمایش اطلاعات استفاده می‌کنند.

7.13. فوتون‌های منفرد و اثرات کوانتومی (Single photons and quantum effects)

فوتون‌های تک‌تایی و اثرات کوانتومی به مطالعهٔ ویژگی‌های ذرات منفرد نور و رفتارهای شگفت‌انگیز کوانتومی آن‌ها اختصاص دارند. این حوزه شامل بررسی پدیده‌هایی مانند درهم‌تنیدگی، تداخل تک‌فوتونی، و نقش فوتون‌های منفرد در پردازش اطلاعات کوانتومی و مخابرات امن است.

8.13. فیزیک نظری (Theoretical physics)

فیزیک نظری توسعهٔ صورت‌بندی‌های ریاضی و پروتکل‌های محاسباتی برای توصیف همهٔ جنبه‌های پدیده‌های طبیعی و تعاملات آن‌ها است. این می‌تواند شامل ارائهٔ مدل‌هایی برای فهم نتایج تجربی یا ساخت نظریه‌های خودسازگار برای توضیح پدیده‌هایی باشد که فراتر از آزمایش‌های کنونی‌اند.

14. فیزیک فضایی (Space physics)

فیزیک فضایی یکی از حوزه‌های پژوهشی فیزیک به مطالعه پدیده‌های طبیعی درون منظومهٔ شمسی و محیط پیرامون زمین می‌پردازد. این شاخه به بررسی باد خورشیدی، میدان‌های مغناطیسی سیاره‌ای و پلاسمای میان‌سیاره‌ای می‌پردازد و فهم آن برای پیش‌بینی طوفان‌های خورشیدی، محافظت از ماهواره‌ها و فناوری‌های فضایی و حتی ایمنی فضانوردان حیاتی است.

1.14. ابزارهای اخترشناسی (Astronomical instrumentation)

ابزارهای اخترشناسی به مجموعه ابزارهایی گفته می‌شود که برای مشاهدهٔ اجرام و پدیده‌های فضایی به کار می‌روند. این ابزارها می‌توانند شامل تلسکوپ‌های زمینی یا ماهواره‌ای باشند. اجزای نوری دقیق مانند آینه‌ها و عدسی‌ها در تمام طول‌موج‌های طیف الکترومغناطیسی برای توسعهٔ این ابزارها نقشی حیاتی دارند.

2.14. شفق قطبی (Aurora)

شفق قطبی الگویی متغیر از نور است که از اتم‌ها و مولکول‌های موجود در جو زمین پس از یونش آن‌ها به‌وسیلهٔ برخورد با ذرات باردار خورشیدی گسیل می‌شود. این پدیده با چشم غیرمسلح نیز قابل مشاهده است، به‌ویژه در نواحی قطبی که میدان مغناطیسی زمین بیشتر ذرات خورشیدی را متمرکز می‌کند.

3.14. فیزیک مگنتوسفری (Magnetospheric physics)

فیزیک مگنتوسفری مطالعهٔ میدان‌های مغناطیسی پیرامون زمین و سایر اجرام منظومهٔ شمسی است. یکی از موضوعات مهم این حوزه بررسی تعامل این میدان‌ها با ذراتی است که از خورشید یا حتی فراتر از فضای میان‌ستاره‌ای می‌آیند. نمونه‌ای از این اثر، «موج ضربه‌ای» (bow shock) است که هنگام عبور مگنتوسفر از میان باد خورشیدی پدید می‌آید.

4.14. فیزیک خورشیدی (Solar physics)

فیزیک خورشیدی به مطالعهٔ فرایندهای بنیادی رخ‌دهنده در خورشید اختصاص دارد. این حوزه عمدتاً بر دینامیک پلاسمای خورشیدی و برهم‌کنش آن با میدان‌های مغناطیسی تمرکز دارد. همچنین بررسی می‌کند که این فرایندها در بخش‌های مختلف خورشید — از هسته تا تاج خورشیدی — چگونه تغییر می‌کنند.

15. فیزیک آماری، ترمودینامیک و دینامیک غیرخطی (Statistical physics, thermodynamics and nonlinear dynamics)

فیزیک آماری یکی از حوزه‌های تحقیقاتی فیزیک است که به بررسی ارتباط میان رفتار تک‌ذره‌ای و خواص جمعی سیستم‌ها می‌پردازد. با استفاده از ابزارهای آماری، قوانین انرژی و تحلیل دینامیک غیرخطی، فیزیکدانان می‌توانند رفتار سیستم‌های طبیعی، صنعتی و اجتماعی را پیش‌بینی و توضیح دهند.

1.15. شبکه‌های پیچیده (Complex networks)

شبکه‌های پیچیده شبکه‌هایی هستند که الگوهای اتصالی بین عناصرشان نه کاملاً منظم و نه کاملاً تصادفی است. بیشتر شبکه‌های دنیای واقعی، مانند شبکه‌های حمل‌ونقل، شبکه‌های اجتماعی یا شبکه‌های تنظیم‌کنندهٔ ژن‌ها، از نوع پیچیده محسوب می‌شوند.

2.15. پدیده‌های غیرخطی (Nonlinear phenomena)

پدیده‌های غیرخطی به پدیده‌هایی گفته می‌شود که برخلاف یک سیستم خطی، نمی‌توان آن‌ها را با یک رابطهٔ ریاضی متناسب توضیح داد (یعنی رابطهٔ خطی بین دو متغیر). به‌عنوان مثال، شیوع یک بیماری عفونی اغلب به‌صورت نمایی و نه خطی با زمان افزایش می‌یابد.

3.15. گذارهای فازی و پدیده‌های بحرانی (Phase transitions and critical phenomena)

گذارهای فازی و پدیده‌های بحرانی به تغییرات یک سیستم از یک حالت یا رژیم به حالت یا رژیم دیگر با ویژگی‌های بسیار متفاوت گفته می‌شود و همچنین به اثرات غیرمعمولی اشاره دارد که در مرز بین این حالات رخ می‌دهند. تغییر حالت ماده، مانند تبدیل جامد به مایع، نمونه‌ای کلاسیک از این پدیده است.

4.15. فیزیک آماری (Statistical physics)

فیزیک آماری شاخه‌ای از فیزیک است که از نظریه احتمال و آمار برای حل مسائل فیزیکی استفاده می‌کند، معمولاً در سیستم‌هایی که از تعداد زیادی واحد تشکیل شده‌اند. هدف اصلی آن مطالعهٔ ویژگی‌های یک سیستم از طریق رفتار آماری اجزای آن است.

5.15. ترمودینامیک (Thermodynamics)

ترمودینامیک تحلیل ریاضی روابط انرژی است. این یک شاخهٔ علمی است که به گرما و دما و رابطهٔ آن‌ها با انرژی و کار می‌پردازد. ترمودینامیک بر خواص کلان و ماکروسکوپی یک سیستم تمرکز دارد و نه بر اجزای میکروسکوپی آن.

16. فنون و ابزارها (Techniques and instrumentation)

پیشرفت علم بدون ابزار ممکن نیست. این شاخه به طراحی و توسعهٔ ابزارهای دقیق برای فیزیک، نانوفناوری و علوم مواد می‌پردازد؛ از میکروسکوپ‌های پیشرفته تا ابزارهای تحلیلی که دید تازه‌ای به جهان می‌دهند.

1.16. روش‌های شناسایی و تحلیل (Characterization and analytical techniques)

روش‌های شناسایی و تحلیل، روش‌هایی هستند که برای شناسایی، جداسازی یا کمّی‌سازی مواد شیمیایی یا مواد استفاده می‌شوند و همچنین برای مشخصه‌یابی خواص فیزیکی آن‌ها کاربرد دارند. این روش‌ها شامل میکروسکوپی، پراکندگی نور یا تابش، طیف‌سنجی، کالریمتری، کروماتوگرافی، اندازه‌گیری‌های وزنی و سایر اندازه‌گیری‌هایی است که در شیمی و علم مواد استفاده می‌شوند.

2.16. طراحی، سنتز و فرآوری (Design, synthesis and processing)

طراحی، سنتز و فرآوری حوزه‌های پژوهشی روش‌شناختی در فیزیک، شیمی و علم مواد هستند که به مدل‌سازی و توسعهٔ مواد نوین با ساختار، خواص یا رفتار دلخواه می‌پردازند؛ از مقیاس اتمی تا مقیاس کلان مواد.

3.16. تکنیک‌های تصویربرداری (Imaging techniques)

تکنیک‌های تصویربرداری برای به‌دست آوردن تصویری دوبعدی از یک سطح یا بازسازی سه‌بعدی یک حجم استفاده می‌شوند.

4.16. طیف‌سنجی جرمی (Mass spectrometry)

طیف‌سنجی جرمی یک روش تحلیلی است که از ابزاری به نام طیف‌سنج جرمی برای اندازه‌گیری نسبت جرم به بار یون‌های مولکولی استفاده می‌کند. مولکول‌ها در داخل طیف‌سنج جرمی شکسته می‌شوند و یک طیف جرمی تولید می‌کنند که می‌توان آن را برای تعیین هویت مولکول‌های نمونه تفسیر کرد.

5.16. میکروسکوپی (Microscopy)

میکروسکوپی به هر روشی گفته می‌شود که برای گرفتن تصاویر از اشیاء نزدیک با وضوحی بسیار بالاتر از توان تفکیک چشم غیرمسلح استفاده می‌شود. مشاهدهٔ اجسام می‌تواند توسط پرتو نور یا الکترون با استفاده از عدسی‌های نوری یا مغناطیسی و یا با استفاده از پروب‌های اسکن فیزیکی که یکی از ویژگی‌های مختلف نمونه را اندازه‌گیری می‌کنند، صورت گیرد.

6.16. طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR spectroscopy)

طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) تکنیکی است که محیط شیمیایی هسته‌های اتمی را با جذب تابش الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی در حضور یک میدان مغناطیسی قوی آشکار می‌کند. NMR در شیمی و رشته‌های مرتبط برای تعیین ساختار مولکولی با وضوح بالا و مطالعهٔ دینامیک مولکولی کاربرد دارد.

7.16. طیف‌سنجی نوری (Optical spectroscopy)

طیف‌سنجی نوری شامل مجموعهٔ وسیعی از تکنیک‌هاست که برای بررسی نحوهٔ تعامل ماده با نور استفاده می‌شوند. این تکنیک‌ها در فیزیک، اخترشناسی، شیمی، زیست‌شناسی و زمینه‌های پژوهشی مرتبط کاربرد دارند.

8.16. الگوگذاری سطح (Surface patterning)

الگوگذاری سطح شامل تکنیک‌هایی برای آماده‌سازی و ایجاد الگو روی سطوح است؛ از چیدمان تک‌مولکول‌ها تا مقیاس کلان، به‌عنوان مثال از طریق حکاکی، الگوگذاری الکتروشیمیایی و رسوب‌دهی فیلم.

در انتها

فیزیک دنیایی است بی‌پایان از پرسش‌ها و کشفیات. هر یک از شاخه‌های معرفی‌شده می‌تواند الهام‌بخش مسیری تازه در یادگیری یا پژوهش باشد. چه به دنبال پاسخ به پرسش‌های بنیادی دربارهٔ ماهیت جهان باشید، چه بخواهید در فناوری‌های نوین سهمی داشته باشید، پژوهش در فیزیک فرصت‌های بی‌نظیری پیش روی شما می‌گذارد.

برای کسب دانش و اطلاعات به روز همراه فیدمی باشید و دیگر مقالات ما را نیز مطالعه کنید. مقالات را با دوستانتان به اشتراک بگذارید.

منتظر پیام‌ها و بازخوردهای شما هستیم. نظرات خودتان را در زیر همین پست با ما به اشتراک بگذارید.