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.
Az ELI ALPS lézeres kutatóintézet 2017 óta 7. alkalommal rendezte meg továbbképzését a természettudományokat tanító középiskolai tanárok számára. Az egynapos program célja idén is az volt, hogy a pályán lévő pedagógusok ismereteit új technológiák, kutatási irányok és eredmények bemutatásával egészítsék ki, valamint az „új fizika” kísérleti és modellezési szemléletével inspirálják a tanári gondolkodást.
Az ELI ALPS hagyományos célkitűzése, hogy a lézerkutatásban és a fény-anyag kölcsönhatás kutatásában elért eredmények beilleszthetők legyenek a középiskolai tananyagokba. Horváth Vera, a tanártovábbképzések szervezője elmondta, idén az ország legkülönbözőbb típusú 20 iskolájából 21 szaktanár vett részt a programban, és közülük többen is visszatérő látogatói voltak a kutatóközpont előadásainak. A korábbi években közel 150 oktatási intézmény mintegy 200 tanára hallgatta már meg a továbbképzést. Az előadások összeállításával az évek során arra törekedtek, hogy a tanárokat az új fizika elméleti alapjai mellett a kísérleti kutatás módszereibe és a legújabb publikációk eredményeibe is bevezessék. A végső cél pedig az, hogy a tanárok révén elért középiskolások figyelmét is megragadja a lézeres fizika érdekfeszítő világa.
A továbbképzésen Szabó Gábor professzor, az ELI ALPS ügyvezetője köszöntötte a program résztvevőit, majd Horváth Vera, az ELI ALPS látogatócentrumának vezetője a kutatóközpont tudományos munkájáról beszélt. Mint elmondta, az ELI ALPS célja a lehető legrövidebb (néhány ciklusú) fényimpulzusok előállítása a lehető legnagyobb impulzusenergiával és a lehető legnagyobb ismétlési frekvenciával. Az ELI ALPS 2023 szeptember végétől, berendezéseinek fejlesztési szakasza után hivatalosan is felhasználói létesítmény lesz. Ez azt jelenti, hogy csúcstechnológiás lézereit, valamint fotonforrásait és gyorsított részecskenyalábjait a jövőben egyre növekvő számú felhasználói kísérletekhez biztosítja majd.
Horváth Vera kifejtette, hogy az ELI három európai pillére közül a szegedi ELI ALPS elsősorban a fény-anyag kölcsönhatások ultragyors folyamatainak vizsgálatához nyújt tudományos hátteret. Az ELI ALPS által kínált fő nyalábvonalak az atomi és molekuláris léptékű jelenségek kutatására, valamint a gázokban és szilárdtestek felületén fény hatására bekövetkező ultragyors jelenségek tanulmányozására kínálnak attoszekundumos forrásokat. A kutatóközpont gyorsított elektronokból álló forrása, valamint az így előállított nagy energiájú röntgensugárzás pedig a daganatos betegségek kezelését célzó sugárbiológiai kutatásokat, valamint az orvosi célú képalkotási eljárásokat szolgálja majd. Ezek a lézeres fény- és részecskeforrások a fizika, a kémia, a biológia, az anyagtudomány és még számos interdiszciplináris terület számára nyitottak meg új vizsgálati módszereket, amelyek – a további előadások után kiderült - sokszor a középiskolai fizikatanárok számára is meglepően új fizikát tárnak fel.
Dr. Szabó Gábor professzor, az ELI ALPS ügyvezetője köszönti a tanártovábbképzés résztvevőit; Horváth Vera előadása
Dr. Börzsönyi Ádám, az ELI ALPS lézerforrások osztályának vezetője a lézerek erősítési eljárásait és az impulzusnyalábok paramétereit foglalta össze a hallgatóknak. A hagyományos, populációinverzión alapuló lézererősítés mellett bemutatta az optikai parametrikus erősítést is, amelyet az ELI ALPS berendezéseiben a nagyenergiás részeken használnak. Ez a módszer a nagy térerősségek esetén kettőstörő kristályokban létrejövő nemlineáris optikai jelenségeken alapszik; kedvező tulajdonsága, hogy abszorbció nélkül azonnal átadja az energiát, eközben az erősítőkristály nem melegszik fel, és így az eljárás hatékony a magas átlagteljesítményű lézereknél.
A lézerfény tulajdonságait sorolva Börzsönyi Ádám a széles optikai spektrumot, a koherens jelleget és a fókuszálhatóságot emelte ki. A folytonos üzemű lézerekkel ellentétben az ELI-ben kutatási célra használt lézerek ultrarövid impulzusokból, vagyis nagy energiájú, rövid fényvillanásokból állnak. Egyetlen lézerimpulzus annyira rövid lehet, hogy a fénynek mindössze egy-két optikai ciklusát tartalmazza. Ez a jelleg teszi lehetővé az ELI ALPS lézerimpulzusainak TW vagy PW osztályú csúcsteljesítményét is, hiszen a gyenge villanykörte átlagteljesítményét sem elérő impulzus egy femtoszekundum (10-15 s) időtartamra a paksi erőmű teljesítményének ezerszeresét produkálja. A lézeres kutató beszélt arról is, hogy a lézerfény iránystabilitásának és nyalábminőségének fenntartása érdekében a nyalábokat vákuumban, állandó hőmérsékleten, rezgésmentes körülmények között terjesztik, mivel a legkisebb környezeti változás is befolyásolná a kísérleti eredményeket. Börzsönyi Ádám kiemelte az ELI lézereinek vivő-burkoló fázis stabilitását is, vagyis azt a tulajdonságot, hogy a lézerimpulzusban lévő optikai ciklusok fázisa a keltő erőtér burkológörbéjéhez képest nem mozdul el.
Az impulzusok hosszával kapcsolatos az ELI lézerek egyik fő fejlesztési iránya, az impulzusidő csökkentése is. Ezt elsősorban posztkompressziós eljárásokkal érik el; ilyenkor a néhány 10 femtoszekundum időtartamú impulzust az erősítés után, a legvégén 6-8 fs-ra nyomják össze. Ugyancsak fontos paraméter a lézerimpulzusoknak a csúcsteljesítményhez képest magas ismétlési frekvenciája, ami a statisztikusan, nagy számban elvégzett kísérletek reprodukálhatóságát növeli, a kísérlet elvégzési idejét pedig csökkenti.
Börzsönyi Ádám beszélt az elmúlt évtizedek egyik legfontosabb lézeres technológiai fejlesztéséről, a 2018-ban Nobel-díjjal jutalmazott csörpölt impulzuserősítésről (CPA) is. Ebben az eljárásban az impulzushossz megnyújtásával fokozatosan erősíthető meg a csúcsteljesítmény; a közvetlen, nyújtás nélküli erősítés ugyanis ellenőrizhetetlen nem-lineáris folyamatokat indítana el. Gérard Mourou és Donna Strickland 1985-ös felfedezése tette lehetővé a mai nagyintenzitású lézerek megépítését.
Végül a lézerfizikus kiemelte: az ELI fő törekvése, hogy a felhasználók időben és térben tiszta, stabil impulzusokhoz jussanak. A zavaró korlátozó jelenségek ugyanis nemcsak változó méréseket produkálnának, hanem akár még a kísérlet előtt tönkretehetnék a mintát; ezért a lézeres kutatók minél tisztább felfutó élű impulzusokra törekednek, elkerülve azt, hogy a fő impulzus előtti erős előimpulzus érkezzen.
Dr. Börzsönyi Ádám, az ELI ALPS lézerforrások osztályának vezetője a lézerek paramétereiről beszél
Dr. Divéki Zsolt, az ELI ALPS SYLOS GHHG nyalábvonalainak kutatócsoport-vezetője az attoszekundumos fényimpulzusok előállításáról beszélt a továbbképzés résztvevőinek. Attoszekundumos, vagyis 10-18 másodperces impulzusú fénysugárzásra azért van szükség, mert ilyen időskálán zajlanak az atomi és molekuláris szinten végbemenő ultragyors folyamatok. A lézerek femtoszekundumos impulzusai túlságosan hosszúak például az atom ionizációjáról végzett képalkotáshoz, és lézerben 2,3 fs-nál rövidebb impulzus nem állítható elő.
Anne d’Huillier francia kutató vette észre 1989-ben, hogy a gázsugárba irányított nagy intenzitású lézer magas felharmonikusai annyira széles spektrumot idéznek elő, amely lehetővé teszi az attoszekundumos impulzusok keltését. (A fényimpulzus annál rövidebb, minél szélesebb az optikai spektruma.)
Divéki Zsolt azt is kifejtette, hogy a gázsugárba irányított lézer milyen folyamat révén hozza létre az attoszekundumos impulzusokat. A három lépésből álló jelenség során a lézer előbb ionizálja a gázatomokat, ekkor az elektron hullámfüggvényének egy része megszökik a potenciálgátból; ezután az elektron bizonyos valószínűséggel a kvantumos alagúteffektus következtében kijut az atomból, felgyorsul a lézertérben; majd pedig a lézertér elektromos fluktuációja miatt adott valószínűséggel visszatér és rekombinálódhat, miközben fotont ad le, és ez hozza létre az attoszekundumos villanást. Ez a folyamat egyben kutatási módszert is kínál az elektronmozgás jellemzésére: mivel a kibocsátott fény tulajdonságai mérhetők, a rekombináció után vissza lehet számolni az elektron hullámfüggvény potenciálgáton belül maradt részének jellemzőit.
Divéki Zsolt elmondta, hogy az ultrarövid impulzusok a lézeres fizika egyik legjellemzőbb kísérleti mérési módszeréhez, az úgynevezett pumpa-próba spektroszkópiához is felhasználhatók. A felfedezésért, miszerint az ultrarövid impulzusú lézerekkel lehetséges az molekuláris folyamatok megfigyelése, Ahmed Zewail egyiptomi fizikus 1999-ben kémiai Nobel-díjat kapott. Divéki Zsolt a folyamatot az ELI ALPS gázban keltett attoszekundumos nyalábvonalán szemléltette. A mérés lényege, hogy a mintában a közeli infravörös lézer kivált egy atomi szintű módosulást (ez a pumpa nyaláb), amit ultrarövid késleltetéssel a lézer másik nyalábja által generált XUV fényimpulzus (a próba nyaláb) megvilágít; a jelenség során kilépő elektronok eközben egy elektron repülési idő tömegspektrométerrel mérhetők a végfelhasználóknak szolgáló területen. A pumpa-próba méréseket az ELI ALPS nyalábvonalain jellemzően olyan ultragyors jelenségek tanulmányozására használják, mint például a molekulákban végbemenő töltésmozgás.
Dr. Divéki Zsolt, az ELI ALPS SYLOS GHHG nyalábvonalainak kutatócsoport-vezetője
Dr. Lécz Zsolt, az ELI ALPS részecskegyorsítási csoportjának elméleti fizikus kutatója, a lézer-plazma kölcsönhatással előállítható részecskegyorsítással ismertette meg a hallgatóságot. A jelenséget elsőként 1979-ben szimulációkban fedezte fel John Dawson és Toshiki Tajima; ebben az időben még nem létezett megfelelő lézer, így az alkalmazás csak az elmúlt évtizedekben vált kutatottá. Lécz Zsolt elmondta, hogy a hagyományosnak számító lineáris részecskegyorsítókkal, ciklotronokkal vagy a CERN nagy hadronütköztetőjével összehasonlítva (utóbbi 46 GeV energiára gyorsít egy 27 kilométer sugarú körben), a lézer alapú gyorsítók előnye, hogy legalább 10-szer olcsóbbak, és méretük annyival kisebb lehet, hogy remény van kompakt asztali berendezések előállítására. A lézeres eljárás szolgálhat az ionizált atomok ionjainak vagy elektronjainak gyorsítására; előbbi esetben az eljárás lényege, hogy egy vékony fóliára lövik a lézerimpulzusokat és ennek felületén forró plazma keletkezik, amelynek tágulása kigyorsítja a protonokat.
Az elektronok gyorsítását gázban is el lehet végezni; ebben az esetben a gázban a lézerimpulzus mögött plazmabuborék keletkezik, ami hosszanti irányban felgyorsítja az elektronokat. Egy 100 MeV-ra gyorsított részecske energiájához 100 millió Volt feszültségre lenne szükség. A lézerrel gyorsított részecskéket 1000 MeV energiára körülbelül 1 centiméteres távolságig lehet gyorsítani, és a skálázás sem lineáris: 8 Gev energia eléréséhez már 20 cm-re van szükség. Ez a 8 GeV egyben a lézeres elektrongyorsításnak a világon eddig elért rekord energiája is, míg a jóval nehezebb protonokat laborban eddig 120 MeV energiára tudták gyorsítani. Lécz Zsolt szerint az elektronok esetében jelenleg az gátolja a nagyobb energiájú gyorsítást, hogy a relativisztikus sebességű részecskék lehagyják a gyorsító lézerfényt, míg a protonok esetében a plazma instabilitása és az energia disszipációja a gátló tényező. Az ELI egyik újonnan megépült nyalábvonalán is folynak sikeres elektrongyorsítási kísérletek a SYLOS lézer 1 kHz-es ismétlési frekvenciájú lézerimpulzusaival, az itt előállított, várhatóan 100 MeV energiájú nyaláb a sugárkezelési kutatásokat szolgálja majd ki.
Dr. Lécz Zsolt, az ELI ALPS részecskegyorsítási csoportjának elméleti fizikus kutatója
A következő előadást Dr. Márton Zsuzsanna az ELI ALPS ultragyors nanotudományi kutatócsoportjának tudományos munkatársa tartotta a plazmonikai jelenségek modellezéséről és az ELI nanoplazmonikai kutatásairól. A fémek dielektromos függvényének számításához bemutatott egy elméleti és egy fémekre vonatkozó realisztikus modellt, majd a fém-dielektrikum határfelületen keletkező plazmon polaritonokkal (SPP) és a lokalizált felületi plazmonokkal (LSP) ismertette meg a közönséget. A lézerfény hatására fémek felszínének közelében, néhány Angström mélységben töltéssűrűség-rezgések jönnek létre; ezeknek a kvantumait nevezik felületi plazmonoknak. A lokalizált felületi plazmonok segítségével nanoszerkezetekben lokalizálható a fény energiája, vagyis elérhető, hogy a fény csak egyetlen molekulával hasson kölcsön, amivel a spektroszkópiai módszerek hatékonysága kiugróan megnövelhető.
Márton Zsuzsanna a hallgatóság számára meglepő és újszerű kutatási eredményeket is bemutatott. Ilyen az elektronemissziós nanotűk használata, amelyek csúcsából ultragyors elektronok lépnek ki; e kísérleti eszköz segítségével a nanoszerkezetek körüli erős közeltér vizsgálható. A kutató megjegyezte, hogy a nanorészecskék körül kialakuló erős terek legújabb alkalmazásaként Kroó Norbert akadémikus nanofúziós kutatócsoportja a Wigner Fizikai Kutatóközpontban a helyi fúzió létrehozását kutatja. A plazmonikus nanofókuszálás alkalmazása abban áll, hogy egy nagyon kicsi térrészre nagyon nagy irányított elektromos teret képes fókuszálni. Mivel a plazmonok hullámhossza rövidebb, mint a keltő lézerfényé, remény van ultragyors plazmonikus kapcsolók megvalósítására. Míg a jelenlegi elektromos kapcsolók kapcsolási ideje legalább pikoszekundumos, a plazmonikus kapcsolókkal sokkal gyorsabb áramkörök is működtethetők lehetnek, ez az alkalmazás pedig megnyitja az utat a fénnyel vezérelt elektronika felé.
Az ELI-ben is végzett nanokutatások alkalmazásaiból Márton Zsuzsanna az elektronnyaláb-litográfiás készülékkel előállított fém nanostruktúrák készítését mutatta be. A Wigner intézettel együttműködésben az ELI kutatóinak olyan alkalmazásról is jelent meg publikációja, amely a lézerimpulzusok vivő-burkoló fázisát a lézernyaláb fókuszfoltja környezetében detektálja. Nanoplazmonikai alkalmazáson alapul az ultragyors spektroszkópikus ellipszometriai elrendezés építése is, amely a lézerimpulzusok és az anyag kölcsönhatásakor tranziens módon változó dielektromos állandó mérésére szolgál.
Dr. Márton Zsuzsanna az ELI ALPS ultragyors nanotudományi kutatócsoportjának tudományos munkatársa
Dr. Hideghéty Katalin,
az ELI ALPS orvosbiológiai
kutatócsoportjának vezetője
Dr. Hideghéty Katalin, a Szegedi Tudományegyetem egyetemi tanára, az ELI ALPS orvosbiológiai kutatócsoportjának vezetője az orvostudományban használt ionizáló sugarak biológiai hatásairól és klinikai alkalmazásaikról tartott előadást. Mint elmondta, a sugárbiológai kutatások jelenlegi törekvése a sugárzás szövetpusztító hatásának optimalizálása, hogy szelektíven csak a daganat pusztuljon el, és a besugárzás minél kevesebb későbbi szövetpusztulást, tumorindukciót okozzon.
A gyógyításban jelenleg elektromágneses térben gyorsított fotonokat, elektronokat, valamint atommagrészecskéket (protonokat, neutronokat, π-mezonokat, illetve szén-, hélium és oxigén-ionokat), továbbá radioaktív bomlás során kibocsátott alfa, béta és gamma részecskéket alkalmaznak. Hideghéty Katalin szerint a daganatos beteg kezelési eljárását rendszerint interdiszciplináris döntés előzi meg. Az eljárásban a sugárterápia a műtéttel és a kemoterápiával együtt része a betegre célzott komplex terápiának. A radiológus kutató szerint a sugárbiológia fejlődéséhez az ionizáló sugárzások minőségének, valamint biológiai hatásainak kutatása vezet el.
A sugárkezelés intravénás izotópterápia vagy a közelterápia révén is végrehajtható. Utóbbi esetben radioaktív izotópot tartalmazó tablettát juttatható el célzottan a beteg testüregébe, míg a teleterápia során a töltött részecskéket nagy szelektivitással és pontossággal tudják leadni a tumor helyzete szerint. Hideghéty Katalin szerint a nagy szelektivitású sugárkezelések pontossága főként a tumor helyzetének meghatározása révén fejlődött sokat. Egy kezelés kiválasztásakor az orvos fizikusok 4-5 tervet is kidolgoznak és ezek összehasonlításánál az ép szervek védelme, valamint a daganat pontos besugárzása a döntő szempont. Az optimális kezelési tervet a beteg 3D modellje alapján fogadják el. A fejlett képalkotásnak köszönhetően a sugárkezelést akár hetente adaptálni lehet a tumor alakulásához.
A radiológus kutató úgy gondolja, a sugárbiológia új innovatív kutatási irányai további fejlődést ígérnek. Ilyen új sugárterápiás alkalmazás a FLASH technológia, amelynek lényege, hogy precíziós úton ultranagy, legalább 40 Gy/s dózisteljesítményű sugárzást juttat célba 500 ms-nál rövidebb idő alatt; ennek biológiai hatásáról igazolták, hogy a hagyományos dózisú sugárterápiához képest csökkentheti a sugárzás okozta károsodást az egészséges szövetekben, miközben megtarja a tumorellenes hatékonyságot. Az eljárást egy 2019-ben megjelent publikáció szerint már az első betegen is sikeresen alkalmazták; a FLASH-hatás képes volt meggyógyítani egy olyan limfómás bőrfelületet, amely korábban 110 alkalommal nem reagált az elvégzett radioterápiai kezelésre.
Az ELI ALPS-ban jelenleg két kísérleti projekt is célozza olyan lézeres részecskeforrások előállítását, amelyek jobb eredményt ígérhetnek, mint a daganatok hagyományos nagyenergiás fotonkezelése. A lézer-plazma kölcsönhatással gyorsított elektronforrás, valamint a transzmutációs kutatás eredményeként 2023 nyarán már 5 órányi folytonos üzemben előállított neutronforrás egyaránt felhasználható lesz a sugárbiológiai kutatásokra.
Prof. Dr. Hopp Béla, az SZTE Fizika Intézet
vezetője
Az ELI ALPS tanártovábbképzésén Prof. Dr. Hopp Béla, a Szegedi Tudományegyetem Fizika Intézetének vezetője elmondta, hogy az ELI ALPS kutatói gárdájának fele részt vett a szegedi egyetem fizika intézetének képzésein, és sokan egyenesen az egyetemről helyezkedtek el az ELI-ben. A fizikaprofesszor bemutatta az SZTE fizika alap- és mesterszak specializációit, köztük a lézerfizikai szakirányt. Az itt szerzett Bsc diploma, mondta, már alkalmassá tesz az optikai labormunkára, így a hallgatók ennek birtokában akár az ELI technikusi, lézeroperátori munkáira is felvételt nyerhetnek. A mesterszakos lézerfizikai specializáció során a hallgatók az ELI lézerrendszereit is bemutató, a lézer-anyag kölcsönhatásokról szóló speciális képzést kapnak, ami a lézerkutatói munkára is alkalmassá tesz. A szegedi egyetemen az ELI ALPS-ban már elhelyezkedett fiatalokat is fogadják a fizika doktori képzésben.
Dr. Hopp Béla arról is beszélt, hogy a szegedi egyetemen 2024 szeptembertől fizikus mérnök alapszak indul anyagtudományi, orvosi technológiai és alkalmazott fotonikai specializációval. A képzés mesterszakjának tervén jelenleg is dolgoznak az egyetemen; a cél az, hogy a mesterszak eszközök, algoritmusok fejlesztésére képes, és elméleti háttértudással is rendelkező fizikus-mérnököket képezzen.
A tanártovábbképzési napon Dr. Vass Csaba, az ELI ALPS ultragyors kémiai dinamika csoport tudományos kutatója bemutatta a lézeres kutatóközpont épületét és laboratóriumi beosztását, valamint Horváth Vera révén a tanárok megismerkedhettek az ELI ALPS középiskolásokat is váró látogatóközpontjával.
Az előadások hallgatósága inspiráló és a középiskolai fizikatanári munkában hasznosítható programnak tartotta a továbbképzést. A megkérdezettek nagyra értékelték az előadások tudományos újszerűségét és a szakmai önfejlesztést sikernek könyvelték el. Ami a lézeres és optikai témák tantermi alkalmazhatóságát illeti, jobban megoszlottak a vélemények.
Berecz János, a hódmezővásárhelyi Bethlen Gábor Református Gimnázium és Szathmáry Kollégium fizikatanára (akinek iskolájáról beszélgetés közben kiderült, hogy az ELI ALPS két szenior kutatója is ott tanulta a fizikát, közülük egyik Berecz János tanítványa volt) úgy gondolta, a közvetlen tantermi oktatásban változó mértékben vethetők fel az új fizika kutatási témái.
„Az előadásokban voltak olyan témák, amelyek azonban beépíthetők nemcsak a fakultációs oktatásba, de akár az alapórán is meg lehet említeni bizonyos jelenségeket és alkalmazásokat. Hiszen az ismeretátadás mellett legalább olyan fontos, hogy a pályaválasztásban segítsük a diákokat, és ilyen szempontból meg aztán különösen hasznos volt eljönnünk az ELI-be. Majdnem minden továbbképzésről elmondható, hogy ilyenkor egy iskolapadba ül be a tanár, és nem is árt, ha érzi, hogy milyen hallgatónak lenni. Természetesen az előadói készségeket is megvizsgáltam, és magam is átgondoltam, vajon én milyen hatást váltanék ki a diákokból” – beszélt élményeiről Berecz János matematika-fizika szaktanár.
