Sajtónyilvános eseményen, az újságírókkal közösen várta a fiziológiai és orvostudományi Nobel-díj bejelentését a Szegedi Tudományegyetem vezetősége 2023. október 2-án, az egyetem központi épületében. Az SZTE kutatóprofesszorát, Karikó Katalint évek óta az esélyesek között tartották számon, és idén meg is kapta a tudományos világ legjelentősebb elismerését. A Szegedi Tudományegyetem élőben kapcsolta az SZTE történetének második Nobel-díjasát, Amerikából.
Krausz Ferenc, Anne L’Huillier és Pierre Agostini kapta megosztva a 2023-as fizikai Nobel-díjat az attoszekundumos fényimpulzusokat generáló kísérleti módszerekért. A jelenséget a szegedi ELI ALPS öt másodlagos forrása is felhasználja, valamint a kutatóintézetben ebben az irányban folynak világszinten egyedülálló kutatások.
Krausz Ferenc kutatócsoportja elsőként állított elő és mért meg attoszekundumos fényimpulzust, amit az elektronok atomon belüli mozgásának feltérképezésére használt fel, és ezzel megalapozta az attofizika tudományát. A Magyar Tudományos Akadémia közleménye szerint „ezzel Krausz Ferenc először végezhetett valós idejű megfigyeléseket az elektronok mozgásáról atomi léptékben. Azóta az általa kidolgozott technikát felhasználták számos atom- és molekulafizikai folyamat, például a fotoionizáció időfüggésének vizsgálatában. Krausz Ferenc úttörő kísérleti munkásságának eredményeit világszerte több kutatóintézetben hasznosítják, többek között a szegedi ELI-ALPS Kutatóintézetben is.”
Az attoszekundumos időtartam adott nevet a fizika egyik új, aktív kutatási területének, az attofizikának, amely a fény-anyag kölcsönhatás ultragyors jelenségeivel foglalkozik. A tudományterület egyik nemzetközi központja a szegedi ELI ALPS kutatóintézet, amely a világon egyedülálló intenzitású attoszekundumos impulzusokat szolgáltat az atomi, molekuláris és optikai folyamatok kutatói számára. Az ELI ALPS-ban nagy intenzitású, néhány femtoszekundumos (10-15 másodperc) időtartamú lézerimpulzusokat használnak arra, hogy még ennél is rövidebb, attoszekundumos (10-18 másodperc) fényimpulzusokat keltsenek. A GINOP pályázatát sikeresen lezáró ELI ALPS-ban a lézerek által keltett több másodlagos fényforrás is a 2023-as Nobel-díjat elnyerő fizikusok eredményein alapszik.
Prof. Dr. Szabó Gábor lézerfizikus, az ELI ALPS ügyvezetője így jellemezte az attoszekundumos technikát:
- Olyan eljárás, amivel extrém rövid fényimpulzusokat lehet előállítani. Tekinthetjük egy olyan vakunak is, amellyel a leggyorsabb folyamatokat időben ki lehet merevíteni. Ezek a folyamatok az elektronok mozgásához kapcsolódhatnak, amit az attoszekundumos módszerek előtt még nem sikerült közvetlenül megfigyelni. Ami ezen az időskálán történik, az legalább annyira fontos lehet az élettudományok számára is. Az attofizikától sok eredményt várunk itt az ELI ALPS-ban, ugyanis pillanatnyilag nekünk van hozzá a legtöbb attoszekundumos forrásunk, 5 különböző féle nyalábvonalon is előállítjuk a Nobel-díjjal elismert ultrarövid fényimpulzusokat. Arra számítunk, hogy e forrásainkra egyre több felhasználó hoz majd kísérleteket, és a következő években olyan tudományos áttörésekről olvashatunk majd, amelyek az ELI ALPS attoszekundumos fizikai eszközeivel születtek.
Prof. Dr. Szabó Gábor, az ELI ALPS ügyvezetője: A következő években olyan tudományos áttörésekről olvashatunk majd, amelyek az ELI ALPS attoszekundumos fizikai eszközeivel születtek. Fotó: Karnok Csaba
Az ELI ALPS vezetője felidézte, hogy 1960-ban Szent-Györgyi Albert A szubmolekuláris biológia felé címmel írt könyvet, abban az időben, amikor még a molekuláris biológia sem fejlődött ki igazán:
- A könyv bevezetőjében azt írja, hogy az életjelenségek megértéséhez egy egész dimenzió hiányzik a tudásunkból, mert ezeknek nem lehet magyarázata a molekulák, de még az atomok mozgása sem, tudni kellene, hogy a töltések (vagyis az elektronok) hogyan viselkednek. Erre akkoriban remény sem volt, hiszen 1960 májusában találták fel a lézereket, Szent-Györgyinek pedig nem lehetett tudomása arról, hogy a szubmolekuláris méréseket valaha meg lehet majd valósítani. Szent-Györgyi jól sejtette meg: manapság már vannak arra vonatkozó eredmények, hogy a nagy szerves molekulákon belül az elektronok mozgását is fontos megérteni, és erre a közeli jövőben alig hiszem, hogy másutt kerülne sor, mint itt Szegeden – nyilatkozta Prof. Dr. Szabó Gábor.
Az ELI ALPS attoszekundumos nyalábvonalainak alapot adó jelenségek vizsgálatában a szintén Nobel-díjjal jutalmazott Anne L'Huillier fizikusnak, a svéd Lundi Egyetem kutatójának közvetlen szerepe is volt. Anne L’Huillier 7 éven keresztül volt tagja az ELI tudományos tanácsadó testületének, és ebben az időszakban évente kétszer járt Szegeden. Jelentős energiát fektetett abba, hogy az ELI ALPS lézeres nyalábvonalainak fejlesztésére vonatkozó terveket véleményezze. Ezen kívül ő tervezte az ELI ALPS egyik ma is működő attoszekundumos forrását, a gázokban keltett hosszú fókuszálási távolságú Long nyalábvonalat (lásd a cikk későbbi részében).
Prof. Dr. Varjú Katalin fizikus, az ELI ALPS tudományos igazgatója az attoszekundumos magas felharmonikus-keltés kutatási témájában hosszabb ideig dolgozott Anne L’Huillier közvetlen munkatársaként a Lundi Egyetemen és számos publikációt is közösen jegyeznek. Az ELI ALPS vezetése a francia kutatónőt még a Nobel-díj híre előtt 2024 első hónapjaira meghívta a szegedi kutatóintézetbe. Dr. Szabó Gábor lehetségesnek tartja, hogy Anne L’Huillier látogatásakor újabb mérföldkövet avatnak majd a lézeres kutatáshoz kapcsolódó Nobel-díj tiszteletére az ELI ALPS előtti sétányon.
Agostini professzor által kifejlesztett technikát is használják a kutatóintézetben, de az ő kutatásai nem kapcsolódtak ennyire szorosan az ELI ALPS-hoz.
Attoszekundumos mérési eredmény az ELI ALPS-ban. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
Az ELI ALPS-ban az intenzív lézerimpulzusok révén két alapvető technológiával hoznak létre attoszekundumos forrásokat. Egyik esetben a gázsugárba fókuszált lézerimpulzusok, míg a másik technológiában a lézerimpulzusok által a szilárd felületen létrehozott plazma kelti a lézerfény magas felharmonikusait, vagyis az attoszekundumos fényvillanásokat.
Az elmúlt hetekben két felületi plazma alapú attoszekundumos forrás nyalábvonalán is lezajlottak az első sikeres lövések az ELI ALPS-ban.
– Van olyan fotónk – mondja Prof. Dr. Szabó Gábor –, amelyen az egyedinek számító nagy intenzitású, petawattos lézerrel előállított attoszekundumos impulzusokat a kutatók üdvrivalgással fogadják, ami olyan élmény volt, ahogyan egykor a holdraszállást ünnepelték.
Prof. Dr. Szabó Gábor elmondta, hogy az ELI ALPS-ban a HR és a SYLOS közeli infravörös lézerekkel meghajtott, már korábban is működő attoszekundumos nyalábvonalak mellé 2023 nyarán újabb, gázsugárral keltett attoszekundumos forrást is átadtak, amely a MIR középinfravörös lézer impulzusaival kelti az ultragyors fényvillanásokat. Ez azért volt indokolt, mert minél hosszabb hullámhosszal keltik a magas felharmonikusokat, annál rövidebb fényimpulzusokat lehet hatékonyan előállítani.
Dr. Kiss Bálint az ELI ALPS MIR lézer laboratóriumban. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
Dr. Kiss Bálint, az ELI ALPS MIR lézeres kutatócsoport vezetője 2023 nyarán készült interjúnk során elmondta:
– Az új nyalábvonalon 300-500 elektronvoltos fotonokkal elérhető lesz az elektromágneses spektrum úgynevezett vízablak tartománya; ebben a víz átlátszó a soft röntgensugarakra, amelyeket ugyanakkor a szén és vegyületei elnyelnek, és így válik lehetővé, hogy e hullámhosszokat biológiai minták tanulmányozására is használják. A MIR High Energy lézerrendszerrel a kiloelektronvoltos határig is el lehet majd jutni, hiszen már demonstrálták, hogy 3,2 μm-es hullámhosszon ez lehetséges. Ilyen energiájú fotoelektronok facility szinten, a túlterhelt szinkrotronokat és lineáris gyorsítókat leszámítva sehol másutt nem állnak rendelkezésre a világon.
Az attoszekundumos impulzuskeltésről portálunkon nemrég Dr. Major Balázzsal, az SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék adjunktusával, az ELI-ALPS HR gázalapú felharmonikus-keltési attoszekundumos források kutatócsoport vezetőjével beszélgettünk. A fiatal kutató szintén több attoszekundumos impulzuskeltési projektben működött együtt Anne L'Huillier-vel.
Dr. Major Balázs úgy írta le a keltési jelenséget, hogy a nagy intenzitású és magas ismétlési frekvenciájú lézernyalábot egy lencse segítségével egy nemesgázsugárba fókuszálják. A lézer elektromos tere ilyenkor az úgynevezett háromlépcsős folyamatot váltja ki.
– 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” – fejtette ki interjúnkban Dr. Major Balázs.
Dr. Major Balazs fizikus. Az ablakon át az ELI ALPS attoszekundumos plasztikája látszik. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
Az attoszekundumos fényforrásokat az ELI ALPS az ultragyors, atomi, molekuláris és optikai folyamatokat gáz és szilárd állapotú mintákon vizsgáló felhasználói kísérletek számára biztosítja. A fényvillanás 10-18 másodperces rövidsége a hasonló rövid idő alatt lezajló jelenségek „gyorsfényképezését” szolgálja.
– 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 (TAS), 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 is attoszekundumos nagyságrendű – mondta Dr. Major Balázs.
Az ELI ALPS-ban a néhány optikai ciklusú SYLOS lézerrel is állítanak elő attoszekundumos forrásokat. A SYLOS GHHG Compact és a SYLOS GHHG Long nyalábvonalak extrém ultraibolya hullámhosszú attoszekundumos források előállítását szolgálják. E nyalábvonalak a keltő lézer impulzusainak egyedien hosszú fókuszálásával érnek el magas fluxusú attoszekundumos impulzus-sorozatokat, vagy izolált attoszekundumos impulzusokat. Ezek a források ugyancsak a pumpa-próba mérések egész skáláját kínálják az ultrarövid időfelbontású folyamatok kutatóinak.
– Az attoszekundumos impulzusok előállításának az a kulcsa, hogy a gázzal kölcsönhatásba lépő lézerimpulzusok a megfelelő frekvenciatartományban keltsenek felharmonikusokat – fejtette ki a jelenségről Dr. Divéki Zsolt, az ELI ALPS SYLOS GHHG Compact és GHHG Long kutatócsoport vezetője. – A látható fény felharmonikusaiban előállított fényimpulzus soha nem lehet attoszekundumos hosszúságú, mert ezt fizikai limit akadályozza. A 10-18 s nagyságrendű impulzusokhoz a jelenséget a nagyobb energiájú fényhullámok felé, az ultraibolyán túlra, az extrém UV (XUV) tartományba, vagy akár a lágy röntgen tartományú sugárzás felé kell eltolni. A mi rendszereink attoszekundumos időtartamú impulzusokból álló XUV sugárzást állítanak elő. Ez a sugárzás a szabad levegőn néhány mikrométer távolságon elnyelődik, ezért vákuumrendszerre van szükség a terjedésükhöz, ami eléggé megdrágítja az attoszekundumos impulzus keltését. Ha a távoli jövőben sikerül majd röntgen sugárzással elérni ezt a folyamatot, akkor már nem kell a vákuum, mert a röntgen sugárzás terjed a levegőben is.
Dr. Divéki Zsolt fizikus. Fotó: Kovács-Jerney Ádám.
Dr. Divéki Zsolt elmondta, hogy a gázban való attoszekundumos impulzuskeltés hatásfoka természeténél fogva rossz, kb. 106 nagyságrendű, vagyis 1 millió lézerfény-foton kell ahhoz, hogy 1 attoszekundumos impulzus kijöjjön.
– Az egyetlen igazán hatásos módja annak, hogy több fotonunk legyen, ha megnöveljük a fotonforrások számát. Mivel gázban keltünk attoszekundumos impulzusokat, a gáz mennyiségét növeljük meg. De ezt sem lehet túlzásba vinni, mert a túlságosan sok gázban elnyelődik a keltett attoszekundumos impulzus. Ezt úgy lehet kikerülni, ha jóval nagyobb távolsággal fókuszáljuk a gázra a lézerimpulzust. Ennek következtében nagyobb lesz a lézer fókuszfoltja, és ezen a nagyobb területen fog megtörténni a gázatomok és a lézerfény kölcsönhatása, amiből attoszekundumos impulzusok keltődnek. A nagyobb fókuszterület előnye, hogy a lézerimpulzusok intenzitása nem fogja túllépni azt az értéket, amely a gázközeget már ionizálja. Ez azt is jelenti, hogy több energiát tehetünk egy-egy impulzusba, és az eredmény nagyobb számú és energiájú foton lesz. A nyalábvonalak tervezőinek ötlete az volt, hogy a fókuszálás legyen extrém hosszú. A Compact nyalábvonal esetében 3, 6 és 10 méter között lehet választani, és 10 méteren a numerikus apertúrát változtatva akár 20 méterig fel lehet tornázni a fókuszálást. A Long esetén pedig 19 és 55 méteres fókuszálási opció van. Az 55 méter a világon egyedülálló, lényegében nem fér be egy laborba az elrendezés, hanem 4 laboron keresztül megy végig – fejtette ki a Szegedi Tudományegyetemen végzett fiatal fizikus.
Szabó Gábor professzor ezúttal sem maradt adós egy életből ellesett történettel, amely Krausz Ferenc professzorral való, egyik utolsó szegedi találkozásáról szólt:
– Krausz Ferenccel jó viszonyban vagyunk, sajnos az utóbbi időben elsodort bennünket az élet. Ha itthon jár, megiszunk egy kávét, és ahogy felidézem, utoljára a Klauzál téren ültünk együtt. Miközben beszélgettünk, a kávézóból egyszer csak elszaladtak a pincérek. Úgy tűnt, nem voltak bejelentve, és jött a füles, hogy NAV-ellenőrzés érkezik; Krausz Feri is, én is bizonyos mértékig a német kultúrában szocializálódtunk, ahol az embernek nehezére esik fizetés nélkül távozni, ezért az elszaladt pincérek miatt jó sokáig álltunk sorban, amíg ki tudtuk fizetni a kávénkat.
Panek Sándor
Borítókép: Attoszekundumos impulzus képe az ELI ALPS-ban. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
