Dombi Péter fizikus az MKH Wigner Fizikai Kutatóközpont Ultragyors Nanooptika "Lendület" Kutatócsoportjának vezetőjeként és a szegedi ELI-ALPS munkatársaként is igazán közelről ismeri a femtoszekundumos és attoszekundumos kutatások minden rejtelmét és azokat az lehetőségeket is, amelyek ezeknek a kísérleteknek köszönhetően válhatnak elérhetővé. A fizikus doktori tanulmányait a Bécsi Műszaki Egyetemen folytatta, ahol az idei fizikai Nobel-díjat két kutatótársával közösen elnyerő Krausz Ferenc tanítványa volt. Éppen abban az évben költözött Bécsbe, mikor a Krausz által vezetett csoportnak első ízben sikerült attoszekundumos fényimpulzusokat előállítania, ami mérföldkövet jelentett az ultrarövid időtartamú megfigyelések terén. 2001-ben a világ egy másik pontján Pierre Agostini (aki szintén a 2023-as fizikai Nobel-díj díjazottja) is hasonló kísérleteken dolgozott és sikeresen vizsgálta a 250 attoszekundumos időtartamú impulzusok sorozatát, de Krausz Ferenc volt az, aki egyetlen, 650 attoszekundumig tartó impulzust tudott izolálni.

De mi is pontosan az az attoszekundum, miért fontosak az ezen a rövid időskálán végzett megfigyelések és milyen újdonságokat hozhatnak a világba a kutatások eredményei?

"Az attoszekundum a másodperc egymilliárdod részének az egymilliárdod része. Elképzelhetetlenül rövid időskála"

- magyarázta Dombi Péter - "Két attoszekundum úgy aránylik egy másodperchez, mint egy másodperc a világegyetem korához."

Ezen az időskálán zajlanak azonban az atomok és molekulák elektronjainak azon történései, amelyek megfigyelése és feltérképezése rendkívül fontos a kutatók számára. Míg az atomok mozgását más módszerekkel is láthatóvá lehet tenni, addig az elektronok mozgásába csak az attoszekundumos kísérletek nyújtanak pontos betekintést. Krausz Ferencet ezért is emlegetik az elektronok paparazzójaként: az általa fejlesztett technikával az elektronok világában lezajló folyamatokat korábban elérhetetlen közelségből "láthatják" a kutatók, persze a látható ebben az esetben inkább érzékelhetőt és mérhetőt jelent, nem pont ugyanazt, mint amit egy hagyományos fényképezéssel készült felvételtől megszokhattunk.

A gyors mozgások láthatóvá tétele lassított formában mindig is érdekelte az emberiséget és sok példát találhatunk az ebben az irányba mutató fényképészeti megoldásokra, egészen Eadweard Muybridge felvételéig visszamenőleg, amelyek az Occident nevű ló galoppjának lépéseit ábrázolták és amely első sorozatfotóként a mozgókép megszületéséhez vezetett és egy, a ló mozgásával kapcsolatos vita végére tett pontot. Az 1878-ban használt, másodpercenként több mint 20 felvétel készítését lehetővé tevő gép akkoriban csúcstechnológiának számított, de azóta rengeteget fejlődtek a vizsgálati módszerek és immár nem tizedmásodperces, hanem femtoszekundumos megfigyelésekről szólnak a viták a kutatók között. Az ultragyors folyamatok vizsgálatához az alapot a lézer feltalálása adta meg, ami nem is olyan régen történt: az eszközt 1960-ban alkalmazták először.

"Az emberiség kezében az egyetlen eszköz pillanatnyilag, amellyel az ilyen gyors, attoszekundumos mozgásokat vizsgálni lehet, a lézerfény, mégpedig az olyan lézerfény, ami nagyon rövid felvillanásokból áll."

- mondta el Dombi Péter.

Hogyan működik egy attoszekundumos lézerrendszer?

"Az attoszekundumos fényforrás építése általában a következő módon kezdődik: végy egy femtoszekundumos lézert" - árulta el a fizikus. A rendszert tehát egy femtoszekundumos lézer hajtja és az ultrarövid fényimpulzusok segítségével valamilyen anyaggal, például nemesgázokkal való kölcsönhatás révén létrejön az úgynevezett felharmonikus sugárzás. A femtoszekundumos lézer még látható fényt bocsát ki, legtöbbször körülbelül 700-800 nanométeres hullámhosszal, majd a folyamat során ennek a fénynek nagyon magasrendű (például századrend körüli) felharmonikusai is kialkulhatnak. Így akár nyolc nanométer körüli hullámhosszúságú fény is létrejöhet. Ebben az extrém ultraibolya (XUV) sugárzási tartományban tudta Krausz Ferenc előállítani az attoszekundumos impulzusokat.

Részben Krausz nevéhez fűződik egy, a kiindulási lézerrendszerben szintén nagy szerepet játszó találmány, a fáziskorrigáló (más néven "csörpölt") tükör is, amelyet Szipőcs Róberttel együtt fejlesztettek ki 1993-ban és azóta is számos lézerrendszerben használják a kutatások során, a találmány pedig magyar és amerikai szabadalmi védettséget is kapott. A csörpölt tükör egyfajta dielektrikumtükör, ami különleges szerkezete miatt a diszperzió kompenzálására használható, ami a femtoszekundumos lézerek működését segíti elő. A tükröt Budapesten készítették el a világon először, de a méréseket a Bécsi Műszaki Egyetemen végezték el Krausz Ferenc laboratóriumában.

"Ez a zseniális találmány az elmúlt harminc évben meghódította a világot és ma már gyakorlatilag minden laboratóriumban megtalálható, ahol rövid impulzusú lézeres kutatásokat végeznek."

- mondta el Dombi.

A tükrök alapvető fontosságúak voltak Krausz kísérleteiben, amelyek végül Nobel-díjat hoztak neki, de kevésbé közismert, hogy szerepet kaptak egy másik Nobel-díj elnyerésében is: 2005-ben Theodor W. Hänschnek és John Hallnak az erre a technológiára építő optikai frekvenciafésű megalkotásáért ítélték oda a díjat. Emellett 2018-ban a francia Gérard Mourou és a kanadai Donna Strickland is az ultrarövid időtartamú lézerimpulzusok terén végzett munkájáért került a díjazottak közé, ami alapján elmondható, hogy a femto-, és attoszekundumos kutatások egyre inkább reflektorfénybe kerülnek.

Krausz Ferenc munkájának jelentősége az ultragyors lézerfizikában

Bár az attoszekundumos időtartamú impulzusok előállításáról szóló elméletek és viták már régen megkezdődtek, de kellett a megfelelő technológiai háttér kialakítása, hogy a gyakorlatban is megvalósuljanak a kísérletek. Krausz Ferenc és Pierre Agostini 2001-es felfedezései emiatt jelentettek mérföldkövet az attoszekundumos megfigyelések területén: ekkor bizonyosodott be, hogy az XUV fény attoszekundumos felvillanások formájában jelenik meg, azaz az addig csak elméletben megjósolt módszer a világ közel leggyorsabb történéseinek megfigyelésére valóban működik.

Az időskála persze nem ér véget az attoszekundumoknál, ezen túl léteznek még rövidebb időtartamok, például az atommagon belül zeptoszekundumos folyamatok is zajlanak, de az attoszekundumok mégis jelentős határt képviselnek, jelenleg ugyanis ezek a legrövidebb impulzusú fényforrások. Az elektronok gyorsfényképezését körülbelül 80-500 attoszekundumos fényimpulzusokkal végzik és az elektronok mozgásának megfigyelése és befolyásolása ezen az időskálán történik. Ilyen típusú vizsgálatokat folytatnak a szegedi ELI-ALPS (Extreme Light Infrastructure Attosecond Light Pulse Source) Lézeres Kutatóintézetben is, amelynek építését 2013-ban kezdték meg, ahol Dombi Péter az Ultragyors Tudományi Osztály vezetője.

"Az ELI-ALPS-ban folyó munka alapjait lényegében Krausz Ferenc teremtette meg az attoszekundumos tudományterület megalapításával a kétezres évek elején,

így a kutatóintézet létrejötte is a munkája kiteljesedésének tekinthető." - mondta el a fizikus, aki a Bécsi Műszaki Egyetemen a Nobel-díjas kutató tanítványa volt és jelenleg is dolgoznak közösen egy folyamatban lévő projekten.

Azt, hogy Krauszt milyen tanárnak ismerte meg, Dombi három latin szóval írta körül: nagyon kreatív, dinamikus és inspiráló személyiség, akinek az érdeklődési köre és munkássága sok területet ölel fel a lézerfejlesztéstől kezdve egészen a jelenleg is zajló molekuláris ujjlenyomat vizsgálatokig. Ez utóbbi szintén egy olyan lézertípus fejlesztésével vált lehetségessé, amelyet Krausz Ferenc intézete fejlesztett - az új technológia segítségével a vérmintákból már egészen korai stádiumban kimutathatóvá válnak a rákos megbetegedések. Jellemző részlet a fizikus életében, hogy a kutatások során nem csak az új felfedezésekre, hanem azok gyakorlati és hasznos alkalmazási módjaira is azonnal rá tud találni.

A Dombi Péterrel való együttműködése többek között a lézerfejlesztések területén hozhat fejlődést, mivel a Budapesten kifejlesztett fázisszkenner a lézernyalábok fázisának még pontosabb mérésére alkalmas. Az ezt lehetővé tévő optikai chip a Krausz Ferenc és kutatótársai által fejlesztett lézerrendszerek diagnosztikájához is használható, ez vezetett a közös munka ötletéhez. Az optikai chip egy érdekes jelenséget használ ki: egy alapvetően nem vezető anyagot a femtoszekundumos lézernyalábok átmenetileg vezetővé tesznek. Ezzel a módszerrel a jövőben olyan optikai elemek hozhatóak létre, amelyek jelfeldolgozási, illetve logikai funkciókat is el tudnak látni.

Mit adnak a világnak az attoszekundumos kutatások?

Az attoszekundumos kutatások egyik lehetséges ígéretes gyakorlati eredménye a klasszikus számítógépekénél nagyságrendekkel gyorsabb processzorok létrehozása lehet, amelyek optikai alapon működnek. Ha sikerülne megvalósítani azt, hogy a műveletek feldolgozását nem elektromos jelekkel, hanem fénnyel végzik, akkor kiküszöbölhető lenne a jelenlegi processzorok fizikai behatároltságának problémája. Bár ezek a számítógépek nem fognak egyhamar megérkezni a boltokba és működőképes változataik születése még a távoli jövő ígérete, de megjelenésük hatalmas ugrást hozhatna a számítástechnika terén, több ezerszer gyorsabban dolgozó gépeket a maiaknál (melyek nem keverendők össze a megvalósításhoz közelebb álló kvantumszámítógépekkel).

Az attoszekundumos kutatások legnagyobb jelentőségét azonban nem feltétlenül az egyes találmányokban vagy egy-egy fejlesztési területen kell keresni, inkább a világra gyakorolt általános hatásában. "Ha az attoszekundumos kutatások során használt fényforrások segítségével bármilyen anyagi rendszerben irányítani tudjuk az elektronok mozgását, akkor akár kémiai vagy műszaki területen is születhetnek olyan alkalmazások, amelyek a mindennapi életben felhasználhatóvá válnak." - összegezte Dombi Péter a kutatások szerepének horderejét.

(Fotó: ktsimage/Alexandra Beier/EzumeImages/Getty Images, Ekspla/ELI-ALPS)