Současný vědecký program ústavu zahrnuje fyziku elementárních částic, kondenzovaných systémů, pevných látek a plazmatu a klasickou a kvantovou optiku.
Výzkum ve fyzice elementárních částic uskutečňujeme převážně v rámci velkých mezinárodních kolaborací. Jedná se o experimenty na urychlovačích v CERN u Ženevy a Fermilab v USA, ve kterých se zkoumá nejhlubší struktura hmoty a síly působící v mikrosvětě. S tím úzce souvisí i naše aktivity při vývoji detektorů částic.
Zabýváme se také astročásticovou fyzikou, oborem na pomezí částicové fyziky a astrofyziky. Kosmické záření nejvyšších energií zkoumáme v rámci mezinárodní kolaborace v Observatoři Pierra Augera v Argentině. Jedná se o největší experiment tohoto druhu na světě. Věnujeme se i teoretické a matematické fyzice a otázce využití svazků částic v lékařství.
Ve fyzice kondenzovaných systémů studujeme dynamické a kooperativní jevy v neuspořádaných a nehomogenních materiálech a systémech se sníženou prostorovou dimenzí. Hlavními objekty zájmu jsou kondenzované látky s výraznými fyzikálními vlastnostmi nebo v extrémních podmínkách. Zabýváme se přípravou a zkoumáním funkčních materiálů a kompozitů, supravodičů, kapalných krystalů a slitin s tvarovou pamětí ve formě monokrystalů, polykrystalů, nano- strukturovaných materiálů, tenkých vrstev a materiálových povlaků pomocí kombinace teoretických, experimentálních a moderních technologických přístupů.
V oblasti pevných látek je výzkum zaměřen na nové formy pevných látek, nové fyzikální jevy a principy mikroelektronických komponent. Vlastnosti nových materiálů jsou určovány povrchem, defekty, nanometrickou, vrstevnatou či aperiodickou strukturou. Charakteristické je propojení pokročilých technologií přípravy materiálů, unikátních metod jejich charakterizace v rozsáhlém oboru vnějších podmínek až do nanometrické i atomární úrovně a zpracování výsledků pomocí mikrofyzikálních i ab-initio teoretických výpočtů. Výrazně jsou zastoupeny magneticky a opticky aktivní materiály, nanokrystalické formy křemíku, polovodičů III-V, diamantu a grafitu a nanostruktury pro biologické, lékařské a mikroelektronické aplikace.
K přípravě nových optických materiálů pro optoelektroniku se využívají nové plazmové a hybridní technologie. V oboru kvantové optiky jsou vyvíjeny různé typy zdrojů kvantově korelovaných fotonových párů a zařízení pro přenos takto uložené informace.
V oboru výkonové fotoniky se věnujeme interakci laserového záření s hmotou a budování nové národní platformy pro výzkum a vývoj nových laserových technologií. Na terawattový laserový systém PALS tak navazuje v rámci sekce výkonových systémů laserové centrum HiLASE (www.hilase.cz), jehož posláním je výzkum a experimentální vývoj nové generace diodově čerpaných, pulzních pevnolátkových laserů s vysokou opakovací frekvencí a průměrným výkonem na úrovni kilowattu. Nové laserové systémy jsou výrazně silnější, výkonnější, kompaktnější a účinnější než zařízení, která jsou v současné době ve světě dostupná. Proto má HiLASE velký potenciál nejen v základním badatelském výzkumu, ale i v aplikacích a hi-tech průmyslu.
ELI Beamlines, jedno z nejmodernější laserových výzkumných center na světě, se otevřelo vědcům z celého světa v roce 2018. Laserové centrum ELI Beamlines je součástí mezinárodní instituce The Extreme Light Infrastructure ERIC (ELI ERIC). Multifunkční středisko disponuje 4 ultraintenzivními laserovými systémy, které pracují ve vzájemné součinnosti a díky svým vysokým špičkovým výkonům umožňují vědeckým týmům z celého světa provádět jedinečné experimenty. Každý z laserových systémů má jiné vlastnosti, zvládá jiné úkoly, a navzájem se velmi dobře doplňují.
Největší investiční projekt Fyzikálního ústavu AV ČR, kterým bylo Extreme Light Infrastructure (ELI) byl součástí evropského plánu na vybudování nové generace velkých výzkumných zařízení vybraných Evropským strategickým fórem pro výzkumné infrastruktury (ESFRI). V Dolních Břežanech u Prahy Fyzikální ústav AV ČR vybudoval nejmodernější laserové centrum zaměřené na uživatelský výzkum. Centrum ELI Beamlines je součástí panevropského projektu ELI – největšího laserového zařízení na světě a je otevřeno pro mezinárodní i interdisciplinární komunity uživatelů z akademické i průmyslové sféry.
Laserové systémy ELI Beamlines budou dodávat ultrakrátké laserové impulsy trvající typicky několik femtosekund (10-15 fs) a produkovat výkon až 10 PW. Díky tomu získáme přístup k novým poznatkům potenciálně využitelným např. v astrofyzice, lékařském zobrazování a diagnostice, nanotechnologiích, vývoji a testování nových materiálů, rentgenové optice atd. ELI chce také být atraktivní platformou pro výchovu nové generace vědců. Další informace o projektu ELI Beamlines je možné nalézt na www.eli-beams.eu/cs