Dr. Major Balázs fizikus (SZTE, ELI ALPS) a másodperc trilliomod részének tudományáról

Dr. Major Balázs fizikussal, az SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék adjunktusával, az ELI ALPS munkatársával beszélgettünk.

— Hogyan történik az attoszekundumos fényimpulzus előállítása? Mi volt az idei publikációjuk újdonsága ezen a területen?

— A lézernek olyan intenzitástartományában próbálkoztunk az attoszekundumos impulzus keltésével, ahol az eddigi feltételezések szerint nem működött volna. Eddig úgy gondolták, hogy jól definiálhatóan a 10¹⁴-10¹⁵ W/cm² intenzitású lézerrel állítható elő attoszekundumos fényimpulzus. Kísérletünkben ennél egy-két nagyságrenddel nagyobb intenzitású lézerimpulzust használtunk, mégpedig úgy, hogy a lézerforrásból kilépő nyalábot egy kb. 1 méteres fókusztávolságú lencse segítségével fókuszáltuk egy nemesgázsugárba. A lézer elektromos tere ilyenkor kiváltja az úgynevezett háromlépcsős folyamatot. Ha a nemesgáznak csak egyetlen atomját nézzük, a jelenség leegyszerűsítve abban áll, hogy az atom az elektromos tér hatására ionizálódik, azaz kilép belőle egy elektron, amely felgyorsul, majd rekombinálódik, vagyis ismét csatlakozik egy atomtörzshöz. Eközben pedig a lézertérben nyert energiáját fotonkibocsátás, vagyis igen rövid extrém ultraibolya fényimpulzus révén leadja. A háromlépcsős modell egyetlen atom és a lézerfény kölcsönhatását írja le, de a lézerfény útjába bocsátott gázsugárban milliárdszor milliárd atom van. Nem mindegy, hogy a kilépő extrém ultraibolya fényimpulzusok milyen módon adódnak össze: egy bizonyos fázisillesztésre van szükség, hogy a kilépő fotonok ne „oltsák ki” egymást, hanem konstruktív módon lépjenek interferenciába, és elegendő foton alkossa a végeredményt, az attoszekundumos fényimpulzust.

Dr. Major Balázs fizikus (SZTE, ELI ALPS). Fotó: Kovács-Jerney Ádám

— Milyen kutatási jelentősége van egy fényvillanásnak, amely a másodperc trilliomod részéig tart?

— Az attoszekundumos impulzusnak éppen ez az előnye: kis léptékű, ultragyors folyamatok vizsgálatára alkalmas. Minél kisebb ugyanis valami, annál gyorsabban történnek benne a folyamatok. Példaként a középiskolából ismert Bohr-féle atommodellt szoktuk felhozni, amely több vonatkozásban túlhaladott ugyan, de szemléletesen leírja, hogy mi történik a valóságban. Ebben az egyszerűsített modellben az atommag pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból áll, körülötte pedig negatív töltésű elektronok keringenek, mint a bolygók a Naprendszerben. A hidrogénatom egyetlen elektronja kb. 200 attoszekundum alatt kerüli meg az atommagot, ami azt jelenti, hogy milliárdszor-milliárdnyi kört tesz meg egy másodperc alatt. Ha le szeretnénk fotózni ezt a jelenséget, igencsak rövid felvillanású vakuval kell megvilágítanunk, hogy ne legyen elmosódott a kép. Ez a felvillanás az attoszekundumos impulzus. Az ELI ALPS nagy teljesítményű, világszerte egyedülálló attoszekundumos forrást kínál az ide érkező kutatóknak, nagyon gyors atomi folyamatokat tudnak valós időben vizsgálni ezzel a fénnyel.

— Oszlassunk el egy félreértést! Lézernek lehet-e tekinteni az attoszekundumos fényimpulzust? Vagy a lézerforrás itt csak az ultrarövid idejű fény keltésére szolgál?

— A lézer előállításakor fényerősítés történik stimulált emisszió segítségével. Az attoszekundumos impulzusok viszont jól fókuszált lézer hatására jönnek létre, az imént említett háromlépcsős folyamatban. Ugyanakkor az attoszekundumos impulzusok, ugyanúgy, mint a különlegesen rövid, bár nem attoszekundumos lézerimpulzusok, koherens, jól irányítható nyalábokat alkotnak. Ha ügyesek vagyunk, a röntgen tartományban is elő tudunk állítani attoszekundumos fényt, és ez egy jól irányított röntgen nyaláb lesz, nem olyan, mint az orvosi berendezéseké, ahol a röntgenfény elég nagy szögben szóródik szét.

— Milyen anyagokat vizsgálnak attoszekundumos fénnyel?

— A gáztól a szilárd testig minden anyag vizsgálata lehetséges. Az ELI laboratóriumaiban elsősorban az atomi, molekuláris és optikai fizika kutatási témáira, leginkább a gáz halmazállapotban rendkívül gyorsan lezajló dinamikus folyamatok vizsgálatára használják. Az egyik ilyen vizsgálati módszert úgy hívják, hogy extrém ultraibolya tranziens abszorbciós spektroszkópia, ami azt jelenti, hogy az attoszekundumos fényimpulzussal a vizsgált anyagmintában létrehozunk valami nagyon gyors, a másodperc tört részének tört részéig tartó atomi vagy molekuláris változást, és erről valós idejű képet, sőt videófelvételt tudunk készíteni. A tranziens azt jelenti, hogy valami nagyon rövid ideig létező, nem állandósuló jelenséget akarunk vizsgálni. A nálunk előállított attoszekundumos impulzusokat leggyakrabban az úgynevezett pumpa-próba kísérletekben használják a kutatók. Ez pedig azt jelenti, hogy az anyagmintát két, egymáshoz képest késleltetett megvilágításnak vetik alá, az első kiváltja, a második pedig megvilágítja a jelenséget; ez a késleltetés attoszekundumos nagyságrendű.

— Ön is számontart megoldatlan attofizikai kérdéseket?

— Igen, például nem tudjuk még biztosan, hogy van-e, és hány attoszekundumos a késleltetés, amikor a gázok ionizációja során egyszerre két elektron lép ki. Régóta és sokan próbálkoznak a válasz megtalálásával, de egyelőre nagyon nagy még a szórás a mérések között. A gázok ionizációja azt jelenti, hogy gáz halmazállapotú céltárgyban megvilágítjuk az atomokat és elektront szakítunk ki belőlük. A kérdés az, hogy ha két elektron távozik az atomból az ionizáció során, és ezeket az elektronokat két különböző atompályáról szakítjuk ki, akkor ezek vajon egyszerre lépnek-e ki vagy van valamekkora késleltetés a kettő között. Minden jel arra utal, hogy van késleltetés, és ez mindössze néhány attoszekundum; pontos értékét tudni azonban még nem tudjuk.

Az ELI ALPS attoszekundumos kutatóhelyén. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

— Mi a jelentősége annak, hogy egy nagyobb lézerintenzitás-tartományban is sikerült attoszekundumos fényimpulzus sorozatot előállítani?

— Elsősorban az, hogy az attoszekundumos impulzusnak úgynevezett széles folytonos spektrumát lehet vele létrehozni a felső ultraibolyától az alsó röntgen tartomány frekvenciájáig. Ezzel a széles folytonos spektrummal le lehet fedni minden vizsgálandó folyamatot. Mindegy, hogy a folyamatban a spektrum melyik helyén történik fotonkibocsátás vagy elnyelődés, mi ezt vizsgálni tudjuk, mert a teljes spektrummal meg tudjuk világítani a mintát. A publikáció fontos mondanivalója volt még, hogy a gázsugárban való fénykeltés közben a nagy intenzitású lézerimpulzus a gázban terjedése során átalakul egy kisebb intenzitású nyalábbá, és ez önfenntartó folyamattá válik. Viszonylag sok paraméter önmagától beáll, és nem kell külső eszközöket használni a kontrolljukhoz. Ennek praktikus előnye is van. Hagyományosan az attoszekundumos impulzusokat nemesgáz atomokban szokták kelteni; mindegyik nemesgázra (jellemzően neon, argon, kripton és xenon) ismert egy ideális lézerintenzitás. Amikor az extrém ultraibolya és a lágy röntgen tartományában más-más frekvenciájú attoszekundumos fényimpulzust kell létrehozni, más-más nemesgázt használnak. Mivel a folyamatunk magát szabályozza, a kiváltó lézernyaláb paramétereihez nem kell hozzányúlni, csak a nemesgázt tartalmazó gázpalackot kell kicserélni egy másikra, és ugyanúgy megkapjuk a számunkra ideális attoszekundumos impulzusokat.

— Hogyan szimulálják az elméleti számításokban a fény-anyag kölcsönhatást?

— A szimulációs számításokkal nemcsak az egyatomos esetet, hanem a gázsugár temérdek atomjából kilépő extrém ultraibolya impulzusok optimális összeadódását, a fázisillesztést is modelleztük. Ehhez olyan szoftvert fejlesztettünk, amellyel össze lehet kapcsolni az egyatomos és a sokatomos esetet, és vizsgálni lehetett, hogy milyen paraméterek esetén teljesül az optimális összeadódás. Külön szoftvermérnökünk nem volt, mi, kutatók programozzuk le ezeket a numerikus számítási modelleket. Itt például a sokatomos esetben a fény terjedését a Maxwell-féle hullámegyenletek írják le, vagyis differenciálegyenletek megoldásáról volt szó, amelyekben figyelembe vettünk a jelenséget érintő fontosabb effektusokat. Természetesen vannak effektusok, amelyek esetünkben nem lényegesek, ezeket elhanyagoltuk. Ha az ember olyan modellt akarna készíteni, amelyik mindent figyelembe vesz, akkor soha nem fogja befejezni, és számítógép sem lesz, ami meg tudja majd oldani. A fizikában szükségesek az egyszerűsítések.

Dr. Major Balázs fizikus (SZTE, ELI ALPS). Fotó: Kovács-Jerney Ádám

— Kvantumjelenségek is közrejátszanak a fény-anyag kölcsönhatásban?

— Van kvantumos aspektusa is a folyamatnak, ennek jelentőségét az SZTE-ben és az ELI-ben elméleti kutatócsoportok vizsgálják. A már említett háromlépcsős modellben az ionizálódó atomból az elektron egy tipikus kvantumjelenség, az alagúteffektus révén lép ki a lézertérbe. Egyébként a folyamat többi része szinte teljesen klasszikus módon értelmezhető. A kvantumos jelenségek vizsgálata jelenleg feltörekvő kutatási terület az attofizikában. Ilyen kutatási téma a kilépő elektronok kvantumos összefonódottságának vizsgálata is, amelynek szintén van hagyománya az SZTE Elméleti Fizikai Tanszékén. Érdekes kérdés, hogy a nemesgázok ionizációja során kilépő két elektron vajon egymástól független-e vagy kvantumos összefonódott állapotba kerülnek, és az egyik elektron megfigyelése befolyásolja a másik elektron mozgását a távolból. Alapkutatásról van szó, vagyis gyakorlati eredményt csak hosszabb távon lehet várni, de a későbbiekben ez a kutatás akár a kvantuminformatikához is kapcsolódhat. Jelenleg még csak a folyamatok megértése történik. A fizika így működik, hogy előbb megértjük a jelenséget, aztán feltesszük a kérdést, hogyan tudjuk irányítani. De az út, amely a megértéstől az irányításig elvezet, lehet, hogy egészen máshová fog minket vinni, mint ahogy azt eredetileg gondoltuk.

A témáról további cikkek a Fizikai Szemlében:

Attoszekundumos impulzusok - Prof. Dr. Varjú Katalin cikke (2008. március)

Attoszekundumos impulzuskeltés makroszkopikus optimalizációja - Dr. Major Balázs, Kőrös Pál Csaba és Prof. Dr. Varjú Katalin cikke (2017. október)

Panek Sándor

Borítókép: Dr. Major Balázs az SZTE fizikusa az ELI ALPS attoszekundumos kutatóhelyén. Fotó: Kovács-Jerney Ádám