Forradalmasítja a kutatást az ELI-ALPS, az attoszekundumos fényimpulzus forrás

– A fény a legfontosabb munkaeszköze az ELI-ALPS kutatóközpontnak – indította előadását Krausz Ferenc. A garchingi Max Planck Kvantumoptikai Intézet Nemzetközi hírű igazgatója látványos tudománynépszerűsítő bemutatóval igazolta az ELI (Extreme Light Infrastructure) magyar pillére, az ELI-ALPS épületét átadó 2017. május 23-i ünnepségen a kutatóintézetben elvégezhető kísérleteknek a jelentőségét. A fény ezernyi arcát felvillantva több példát is hozott arra, miért érdemes az extrém fény alkalmazása számára az ELI-ALPS kutatóközpont épületét jellemző rendkívüli adottságú és költségű infrastruktúrát létrehozni és működtetni.

 

A napfény „szolgálatai”

 

A Nap éltető ereje nélkül nem lehetne élet a Földön. A napfény halmozta fel a Föld belsejében raktározott energiákat. Az ezek felhasználásával keletkező káros anyagok lebontásában és hasznosításához is napfény használható. Sőt: a napenergia megfelelő módszerű összegyűjtésével az emberiség a teljes energiaszükségletét is képes lenne biztosítani – tudják a kutatók.

A lézer, e speciális fény ezernyi felhasználási módja közül többet is kiemelt előadásában Krausz Ferenc. Egyik példáját a világűrből vette, mikor érzékeltette: a lézerfény akár az egymástól 5 millió kilométer távolságban elhelyezkedő 3 űrszondát is képes rögzíteni. A másik példáját a mikrokozmoszból emelte ki: az eddig emberi szem számára láthatatlant, így például az elektronok mozgását is képesek lesznek megmutatni az ELI-ALPS kutatóközpont berendezései.

 

Mint a Nap körül a bolygók, úgy keringenek az atommag körül az elektronok – idézte föl a közismert ismeretterjesztő rajzot Krausz Ferenc. – Ez az elektronok valószínűsített mozgásának az ábrázolása, a kvantummechanika megszületése óta – tette hozzá gyorsan. – Az elektronok mozgását ugyanis a fizikusok nem tudják meghatározni. A valósághoz közelebb áll az az elképzelés, mely szerint az elektronok felhőként mozognak az atommag körül. Ahol sűrűbb a felhő, ott több elektron lehet, mint a ritkább „felsőrétegekben”. Az elektronok szinte állandó mozgásban vannak, ami abban nyilvánul meg, hogy e „felhő” folyamatosan változtatja az alakját, a sűrűségét, a helyzetét és a súlypontját, azaz újból és újból „deformálódik” – tette képszerűvé az atommal kapcsolatos elképzelést a Németországban élő fizikus.

 

 

Az elektron rezgésének következményei

 

– Az elektronok rezgése, mikroszkopikus mozgása felelős a fény kibocsátásáért éppúgy, mint az elnyeléséért és az ebből következő észlelésért – hangsúlyozta Krausz professzor, amikor a lámpán belüli izzószál és a szemünkön belüli rodopszin molekula szerepét mutatta be. – Ám az elektronok mozgása nemcsak létfontosságú folyamatok elindítója, hanem veszélyforrás is lehet. Például: a sejtmagon belüli DNS-molekulában külső – mondjuk a bőrünket érő, a napfényből származó részecske – hatásra a kémiai kötések felszakadnak. Az elektronoknak ez a káros mozgása olyan mutációk kialakulásához vezethet, aminek rákos daganat lehet a következménye.

 

Az elektronok mikroszkopikus mozgásának jobb megértése milyen következményekkel járhat? Egyrészt súlyos betegségek okait a legalapvetőbb molekuláris szinten is megérthetik a kutatók, másrészt a mindennapokban használt elektromos eszközök működésének a hatékonyságát a sokszorosára növelhetjük – válaszolt Krausz Ferenc, majd hozzátette: a kihívás rendkívüli, ugyanis az elektronok mozgása rendkívül gyors: attoszekundumban mérendő.

 

 

Az attoszekundumos fizika lehetőségei

 

Az ultragyors kémiai, biológiai és fizikai folyamatok megfigyelését teszik majd lehetővé az ELI-ALPS berendezései – olvasható a kutatóközpontot bemutató, az attoszekundumos fizikát népszerűsítő kiadványokban is:

hatteranyag_ELI-ALPS

Mekkora az attoszekundum? A 10^-18 másodperc, azaz az attosecundum rövidségét számsorokkal és ábrákkal is érzékeltettette előadásában a kutató. Például a fény terjedésének másodpercenként 300 ezer kilométeres sebességét úgy, hogy jellemezte, hogy ez a Föld és a Hold közötti távolság, azaz egy Földről induló fényforrás 1 másodperc alatt érne a Holdra. – Most képzeljük el, hogy ugyanez a rendkívüli gyorsaságú fény a 0,3 nanométer nagyságú vízmolekula egyik szélétől a másikig mennyire rövid idő alatt jut el – javasolta, majd összegzett: – Tehát az 1 attosecundum úgy viszonyul az 1 másodperchez, mint a vízmolekula mérete a Föld és a Hold közötti távolsághoz.

Hogyan lehetséges rendkívüli rövidségű ideig lejátszódó folyamatokat láthatóvá tenni? – tette föl az újabb kérdést Krausz Ferenc. Válaszának első részében a gyorsan mozgó objektumok, például egy puskagolyó útjának és becsapódása fényképezésének módszerét ecsetelte. A rövid – néhány mikroszekundumos – expozíciós idővel készült felvételek egymás után illesztéséből és lassított lejátszásából lesz láthatóvá. Ám a Krausz Ferenc és kutatótársai által vizsgálat alá vetett objektum esetében az atomokon belüli elektronok mozgása gyorsabb a jelenleg rendelkezésre álló kamerák expozíciós idejénél. – Az ultrarövid fényimpulzusok jelentik a kulcsot: attoszekundumos expozíciós idővel kell fotózni a leggyorsabb objektumok, az elektronok mozgását – adták fel maguknak a leckét a fizikusok.

 

Miként lehet létrehozni attoszekundumos impulzusokat? A kérdésre a lézerek fejlődéstörténetének vázlatával adható meg a hosszabb válasz. Ennek rövidített változata szerint az attoszekundumos impulzusokhoz vezető első lépés az volt, amikor a kutatók lézerberendezésüket képessé tették a különböző színű, azaz különböző hosszúságú fényhullámok szinkronizálására, azaz e fényhullámok csúcsainak az összehangolására, majd „összeadására”. Ezt sikerült a fizikusoknak előállítaniuk a látható fény tartományában, így készülnek a femtoszekundumos lézerek, amelyeket például a szemműtétekhez vagy a bőrgyógyászatban is használnak. Az ennél rövidebb impulzusú lézerek előállításához az ultraibolya sugárzás, vagyis a látható fénynél kisebb hullámhosszú tartományban az első sikert 2001-ben könyvelhették el a kutatók. A módszert 2008-ra sikerült annyira továbbfejleszteni, hogy a 100 attoszekundumnál rövidebb „expozíciós idővel” megvilágíthatóak és „fotózhatóak”, így láthatóvá tehetőek a szilárd testek molekuláiban lejátszódó elektronikus folyamatok.

 

 

A fény elektromos tere

 

– A fény és anyag kölcsönhatásának legszebb példája az elektron atomkötelékéből való kiszakítása – húzta alá a fizikus. A lézerfénynek ezt az erejét az előadáshoz illesztett animáció tette elképzelhetővé a résztvevők számára. – A fizikai alapvető kérdése, hogy ez a folyamat és következményei miként játszódnak le. – Egy rövid és több ciklusból álló lézerimpulzus megteremti annak előfeltételét, hogy az elektronok atomból való kilépése rendkívül rövid időre, egyetlen fényhullámhosszra korlátozódjon. E kísérletet ellenőrizni úgy lehet, hogy az ionizáció mozgásba hozásával párhuzamosan attoszekundumos impulzusokkal lefényképezzük az elektronok pillanatnyi állapotát, így visszakövethetjük, miként játszódott le a folyamat – magyarázta a fizikus, mikor megmutatta, hogy a lézerfény elektronikus terében mikor a legaktívabb az „ion termelés”, azaz az elektromos töltéssel rendelkező atomok mennyisége. Arra is választ kaptak a kutatók, hogy mi történik az ionokkal. Megállapították: az atommagban az elektronok kiszakításával keletkezett „üreg” lüktet a két kvantumállapot között – láttuk a Nature folyóirat alábbi címlapját. Krausz Ferenc a Nature folyóiratban publikált cikkében írta le az e felvételekkel elért időlassítást, ami egymillárdszor nagyobb, mint makroszkopikus filmezéshez és visszajátszáshoz, például a puskagolyó becsapódásának a megmutatásához szükséges időlassítás.

 

Az atom belsejéről az első fényképet készítő Krausz Ferenc a lézer elektoron-terét is láthatóvá tette. Honnan tudjuk, hogy a fény elektromos tere szinte ugyanolyan gyorsan változik, mint ahogy az elektron mozog? Onnan, hogy a fény is az elektronok mozgásából „születik” – válaszolt a kérdésére a fizikus. Azt is megmutatta, hogy a fény elektromos terének a változását hogyan mérik.

Miért izgalmas mindez? A számos lehetséges válasz közül Krausz Ferenc azt mutatta meg, hogy a rák, mint a minden negyedik ember halálát okozó betegség előrejelzésében, illetve a páciensek gyógyítására alkalmazott terápiák hatékonyságának a növelésében mi a szerepe a lézernek, illetve az attoszekundumos fényimpulzus forrást a kutatás szolgálatába állító ELI-ALPS-nak.

 

 

Ha megmozdul egy elektron a test egyetlen molekulájában…

 

Mikroszkopikus folyamatokkal kezdődik a betegség: ha megmozdul egy elektron egy molekulában, megváltozik a molekula formája, alakja, funkciója is. Így aztán ez a molekula már nem úgy működik a testben, ahogy kellene. Ahhoz, hogy a rák különböző fajtáinak a gyógyítására megfelelő terápiákat fejleszthessenek ki a kutatók, a mikroszkopikus folyamatokat minél jobban meg kell érteniük.

 

– A rákos daganat kialakulása legelső stádiumában hajszálerek szövik át a burjánzásnak indult sejtet annak érdekében, hogy tápanyagot kapjon és így növekedésnek indulhasson, és végül olyan mértékben megnövekedjen vagy szétszóródjon, ami halált okoz. Ha e stádiumban képesek lennének kimutatni a betegséget, akkor nagyságrendekkel korábban felismerhető lenne, így a megelőzés vagy a terápia is hatékonyabbá válhatna – vélekedett Krausz Ferenc.

Hogyan lehetséges a lézertechnikát és az attoszekundumos fizikát alkalmazni a rák elleni küzdelemben? Krausz Ferenc szerint akár egyetlen csepp vérből is kimutatható lesz annak az első molekulának a jelenléte, amely kizárólag a rákos sejtekben képződik, illetve azoknak a molekuláknak a jelenléte, amelyek az egészséges sejteknél nagyobb számban fordulnak elő a rákos daganatokban. Mindkét fajta molekula használható biomarkerként a rákos megbetegedés diagnosztizálására.

 

A kis számú molekula mérési technikáját nyújtja a Krausz Ferenc által bemutatott, az infravörös fényhez kötődő módszer. Ezzel az ujjlenyomathoz hasonlóan egyedi információ szerezhető a vizsgált molekuláról. Tehát a vérnek a betegség következtében megváltozott molekuláris összetételét mérni tudjuk a rák jelentkezésének olyan kezdeti stádiumában, amelyre eddig nem volt lehetőség. Ha ez sikerült, a módszer kiválóan alkalmas lesz rákszűrésre.

 

A következő lépés, hogy a vizsgálat pozitív eredménye esetén a testet nagy intenzitású lézerrel átvilágítva megállapítható az elsődleges daganat mérete azért, hogy a lézerrel előállított ionnyalábbal megsemmisíthessék még azt megelőzően, hogy a testben szétszóródna. Mert a tumoros betegségek gyógyításában használatos kiegészítő terápiák hatékonyságának a megállapítására is alkalmas ez az infravörös fénnyel kapcsolatos mérési módszer. Az elmélet igazolására szolgáló, a módszer 95 százalékos megbízhatóságát mutató adatokat ismertetve zárta előadást Krausz Ferenc.

 

– A módszer finomításához és a jobb terápiához mélyebben meg kell értenünk a betegségeket előidéző komplex folyamatokat. Ehhez a releváns, komplex, molekuláris folyamatok valós idejű megfigyelésén keresztül vezet az út – húzta alá az előadó. – Ahhoz, hogy komplex biológiai rendszerekben az elektroneloszlás mozgását, időbeli változását meg tudjuk figyelni, attoszekundumos röntgenimpulzusokra van szükség. Ezzel – a világon elsőként – láthatóvá kell tenni azokat a komplex mozgásokat, amelyek jobb megértése elvezet a rákos megbetegedések sokkal hatékonyabb terápiájának a kifejlesztéséhez. Ez az eljárás forradalmasítja a gyógyítást. Ennek a forradalomnak az alapjait teremti meg az ELI-ALPS kutatóközpont.

 

 

Az ELI-ALPS elsőségei

 

„Minél alapvetőbb egy felfedezés, annál távolabb esik a gyakorlati felhasználástól, annál kevésbé függ össze a mindennapi problémákkal. Mégis ezek a nagy alapvető felfedezések viszik előre az emberiséget” – idézte Szent-Györgyi Albert szavait Krausz Ferenc, mikor bemutatta: e felfedezések miként motiválják a világ különböző pontjain azt a több mint 50 intézetet, ahol alkalmazzák az attoszekundumos lézert és mérést.

 

– Az ELI-ALPS azonban nem egy a sok közül, nem egyszerűen modern laboratórium. Az ELI-ALPS európai összefogásnak, a magyar kormány támogatásának köszönhetően elsőként teremti meg annak esélyét, hogy azokat a mikroszkopikus folyamatokat megfigyelhessék, amelyek a súlyos betegségek gyógyításának az előfeltételei, mert valós időben és a kutatók szemével láthatóvá válnak – emelte ki a szegedi attoszekundumos fényimpulzus forrás, az ELI-ALPS elkészültének jelentőségét Krausz Ferenc, akinek előadását nagy érdeklődés kísérte. A programon részt vett – többek között – az atomfizikus Pálinkás József, az MTA korábbi elnöke, a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal elnöke; illetve a biofizikus Ormos Pál akadémikus, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont főigazgatója; továbbá az SZTE lézerfizikus rektora, Szabó Gábor akadémikus, valamint a szegedi egyetem több jeles kutatója is.

„A szellemvilágban nincsenek nagy országok és kis országok, ott nincsenek országhatárok. Minden ország akkora, amennyivel hozzájárul az emberi haladáshoz, teljesen függetlenül attól, hogy a térképen mekkora terület jelöli a helyét a világban” – idézte a szegedi egyetem Nobel-díjas egykori rektora, Szent-Györgyi Albert véleményét Krausz Ferenc. Mondandója zárásaként aláhúzta: – Összefogással tegyünk meg mindent azért, hogy az ELI-ALPS segítségével Magyarországot és Európát nagyobbá tudjuk tenni ezen a térképen!

 

SZTEinfo – Újszászi Ilona

Fotók: Bobkó Anna

Az ELI-ALPS kutatóközpont avató ünnepségéről írtuk: Elkészült a szegedi lézerközpont épületkomplexuma

Korábban írtuk: Hamarosan elkészül az ELI-ALPS öt lézerre váró kutatóközpontjának épületegyüttese