A fény nemzetközi napja alkalmából az ELI ALPS lézeres kutatóintézet idén is kinyitotta kapuját a közönségnek. A fény napi programokon a látogatók több turnusban járták be az épületet, az ELI Fókusz látogatócentrumát, valamint a kitelepült standok kísérleteit. A népszerűsítő előadások között Dr. Varjú Katalin, az ELI ALPS tudományos igazgatója a különleges lézerekről, Dr. Hack Szabolcs, az ELI ALPS tudományos munkatársa a Star Wars lézerkard „valóságalapjáról” tartott előadást. Idén is elhozta népszerű kísérleteit Ignácz Ferenc, az SZTE Fizikai Intézet mesteroktatója, végül pedig Dr. Divéki Zsolt, az ELI tudományos munkatársa a fizikai mérésekről beszélt és Newton segítségével a helyszínen kísérletileg igazolta Galilei állítását arról, hogy az eltérő súlyú testek szabadesése egyenlő gyorsulással történik.

Képgaléria. A Fény napja a szegedi ELI ALPS-ban. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

Többezer atomreaktor energiája egy villanásban

A lézer különleges tulajdonságokkal bíró fény, amely időben és térben is jól viselkedik, jól irányítható és koherens. Ez alkalmassá teszi, hogy nagyon rövid impulzusokba tudjuk koncentrálni a fény energiáját, ami nagyon intenzív teret tud létrehozni. Emiatt a lézerimpulzusoknak az anyaggal való kölcsönhatása különösen intenzív kölcsönhatás – mondta tudománynépszerűsítő előadásában Dr. Varjú Katalin.

Albert Einstein elméleti alapon már 1916-ban leírta a fény-anyag kölcsönhatásban előforduló 3 folyamatot, az abszorbciót, a spontán emissziót és a kényszerített emissziót (ez utóbbi alapján működik a lézerek), de több mint 40 évet kellett várni, hogy Theodore Maiman amerikai mérnök-fizikus 1960. május 16-ig létrehozza az első lézert. Ezután viszont elég gyorsan, 1964-ben a Goldfinger című James Bond epizódban már lézernyaláb készült kettévágni az asztalra kikötözött főhőst, az 1977-es Csillagok háborújában pedig „lézeres” vonónyaláb is szerepelt; ennek funkciójára molekuláris méretekben eléggé hasonlít a 2018-ban Nobel-díjjal jutalmazott lézeres csipesz, amellyel a biológiai kísérletekben „láthatatlan kézzel” lehet sejteket megragadni. A lézerek mai elterjedtségéről pedig mindent elmond, hogy a mobilok gyártásakor 7 féle lézertípust használnak, 12 különböző technológiai lépésben.

A lézerek fényt bocsátanak ki, a fény pedig elektromágneses hullám, amely nagy frekvenciatartományt ölel át a rádióhullámoktól a gamma sugárzásig. Ezen a skálán az ELI-ben a közeli és közép infravörös, az extrém ultraibolya és a lágy röntgen, valamint a mikrohullámos tartományban biztosítanak impulzusos fényforrást a kísérletekhez. A fényimpulzus azt jelenti, hogy a fényhullám nem folyamatosan, hanem „csomagokban” jön, vagyis villog; egy villanás időtartama az impulzushossz, a villanások gyakorisága pedig az ismétlési frekvencia. Az ELI ALPS neve is arra utal, hogy az intézetben attoszekundumos, vagyis 10^-18 másodpercig tartó fényimpulzusokat állítanak elő; szemléltetésül, mondta Dr. Varjú Katalin, a világegyetem életkora mintegy 10¹⁸ s, ez pedig úgy aránylik az 1 másodperchez, mint az 1 szekundum az 1 attoszekundumhoz.

A nagy intenzitású lézerek átlagteljesítménye annyi, mint egy nem-takarékos fényizzóé volt régebben; az ELI ALPS tudományos igazgatója szerint ezzel szemben a rövid impulzusidő miatt az egyes villanások csúcsteljesítménye 2600-szor akkora, mint a paksi atomerőmű teljes teljesítménye. A fényimpulzusnak az anyaggal való kölcsönhatása olyan erős, mintha többezer atomreaktor energiáját használnák egyetlen nagyon rövid pillanatban. A különbség az, hogy az erőműben folyamatosan jön ez a teljesítmény, az impulzusokban pedig csak femtoszekundumos ideig.

Az ELI ALPS 9 nagy lézerrendszere különböző ismétlési frekvenciákkal és csúcsteljesítménnyel várja a felhasználói kísérleteket. A legintenzívebb lézer 10 impulzust lő másodpercenként, míg a legkisebb impulzusenergiájú lézer százezerszer villan egy másodpercben. Jelenleg az átlagteljesítmény a lézerek fejlődésének korlátozó tényezője: jellemző, hogy a kaliforniai NIF nagylézer, amely magfúzió beindítására is képes csúcsteljesítményű, naponként mindössze 6-ot tud lőni; ennek pedig ugyanannyi az átlagteljesítménye, mint az ELI-ben másodpercenként 100 ezerszer villanó lézereknek.

A lézerek nagy csúcsintenzitását irányíthatóságuk és térben és időben való koncentráltságuk adja. A Napból – így Dr. Varjú Katalin – összesen 174 petawatt fényteljesítmény jön ki a tér minden irányában; ha ebből a Földön a napfényt átengednénk egy gomblyukon, akkor körülbelül 1 milliwatt menne keresztül. Ha viszont veszünk egy lézert, ami összesen 5 mW-ot ad ki – az mind át tud menni a résen. E nagy csúcsteljesítményű lézerek térerőssége olyan nagy tud lenni, mint az az erő, ami az elektront az atomtörzshöz köti. Az ELI-ben végzett kísérletek egy része ezt részecskegyorsításra használja fel, vagy arra, hogy a megvilágított anyagban ionizálást érjen el. Egy másik felhasználási terület a pumpa-próba kísérlet lehetősége, amellyel nagyon gyors fizikai és kémiai folyamatokat lehet vizsgálni, oly módon, hogy két kibocsátott impulzus közül az egyikkel beindítanak egy atomi-molekuláris szintű változást, a másikkal pedig megvizsgálják a következményt. (A vizsgálati módszerért 1999-ben Ahmed Zewail kémiai Nobel-díjat nyert.)

Fénykard, lézerkard, plazmakard

Dr. Hack Szabolcs, az ELI ALPS elméleti és szimulációs kutatócsoport tudományos munkatársa és az SZTE Elméleti Fizikai Tanszék oktatója arra a tételre kereste az igazolást, hogy a fénykard jogosan nevezhető-e lézerkardnak. A fénykard a Csillagok háborúja 1977-es, Egy új remény című részében jelent meg először; Dr. Hack Szabolcs fényképen is bemutatta, ahogyan Obi-Wan Kenobi átadja Luke Skywalkernek apja egykori fénykardját. Csakhogy amíg a régi trilógiában fénykardnak nevezték a rajongók fizikatudását is igénybevevő eszközt, addig az új trilógia, és maga George Lucas is, már többször lézerkardként hivatkozik rá.

Ez egy újabb alkalom volt elmondani, mi is a lézer. A lézert indukált emisszió révén lehet létrehozni; vagyis akkor jön létre, ha egy bizonyos aktív közeg egy atomjában egy h-szor ν (Planck állandó szorozva a fény frekvenciájával) energiájú beeső foton a magasabb energianívó elhagyására kényszeríti az elektront, amely eközben egy ugyanolyan tulajdonságú (polarizációjú, irányú) másik fotont is kibocsát. Az aktív közeg folyamatos pumpálása, vagyis gerjesztése közben egyre több foton keletkezik a lézersugárban, és ezek a rezonátornak nevezett két egymással szemben elhelyezett tükörről az aktív anyagba visszaverődve újra és újra megduplázódnak. Mellékesen kiderült, hogy a lézerkutatás hőskorában, amikor a legkedvezőbb tulajdonságú aktív anyagokat keresték, a fizikusok egyebek között a whiskyt és a teát is kipróbálták (de inkább az elfogyasztásuknál maradtak).

Dr. Hack Szabolcs, mint mondta, igyekezett hivatalos forrásokból, és a legnagyobb Star Wars rajongói oldalakból tájékozódni. A fénykard felépítéséről azonban igen szűkszavú a hivatalos kommunikáció, ami érthető, mert így egész rajongói klubok tudják hevesen vitatni a szerkezet működését. Abban persze mindenki egyetért, hogy a fénykardot nem lehet csak úgy gyárban előállítani, hanem ahhoz az Erőre kell érzékenynek lenni. A fénykard hivatalosan kiadott sematikus képének alkotórészei mindenesetre azt sugallják, mondta az ésszerű fizika útjáról ideiglenesen letérő kutató, hogy a kard mégiscsak valóságos, mivel van benne energiaforrás és vannak mindenféle optikai elemekre emlékeztető fókuszáló elemek. Egyetértés van abban is, hogy a kard szíveként sejtetett kiberkristályok fontos részei a kardnak; ezek szabják meg a fény piros vagy kék színét is, hasonlóan ahhoz, ahogy a lézerek aktív anyaga is megszabhatja a lézer fényét. Dr. Hack Szabolcs nem találta viszont az optikai rezonátort, ezért bizonyos jóindulattal feltételezte, hogy a kiberkristályokon elég csak átszaladnia a fénynek, és ez már önmagában megerősíti.

De mitől lesz hanga a fénykardnak? Erre a rajongói oldalak többféle magyarázattal szolgálnak: az egyik az, hogy bekapcsolására az energiaforrás felmelegíti a levegőt és a környező nyomásváltozás miatt ez ad ki hangot. A másik magyarázat szerint a fénykardot valójában plazmakardnak kellene nevezni. Az ELI-kutató szerint ennek a megvalósíthatósága a mai fizikai tudásunk szerint nagyobb is, mint a fénykardé. A neten a plazmakardra már lehet házibarkács prototípusokat találni, de ezekhez egyelőre hátizsáknyi méretű energiaforrás és jókora gázpalack járul, vagyis a technológia még nem tart ott, ahol tartania kellene.

A plazmát gázból kellene ugyanis előállítani, és ez problémássá teszi a filmbeli kardok használatát, amelyek esetében sosem kell gáztartályt cserélni. Az viszont valóságos fizika, hogy a plazma töltött részecskékből áll, amelyek kölcsönhatnak az elektromágneses térrel, ezért akár meg lehetne választani például a fénykard pengéjének hosszát. Sőt, az elektromágneses taszítás azt is megmagyarázná, hogy két fénykard pengéje miért nem megy át egymáson, mint két elemlámpa fénye, és azt is, hogy a kardpenge miért ad ki zümmögő hangot.

Az is kiderült, hogy a fénykard-jelenség csak félig tréfa, ahogyan a MIT és a Harvard kutatóinak egy 2013-as fizikai kísérlete is mutatja. Vákuumban porlasztott és az abszolút nulla környékére hűtött rubídiumatomokból álló gázon vezettek át fotonokat. A fotonok tömeg nélküli részecskék, amelyek egyébként nem hatnak kölcsön egymással, de ilyen körülmények között az anyaggal való kölcsönhatás során másképp viselkedtek. Volt egy optimális távolság, aminél sem közelebb, sem távolabb nem szerettek lenni egymástól, ez pedig hasonló volt ahhoz, ahogyan két atom molekulát alkot egymással, és eközben optimális távolságot tart a két atommag - szemléltette Dr. Hack Szabolcs. (Bár a CNN egykorú tudósítása az eredmény praktikus megvalósíthatóságát azzal a megjegyzéssel vonta kétségbe, hogy ha „Darth Vader fénykarddal jelenik meg, a dédunokáink talán képesek lesznek fotonköveket dobálni rá”.)

Mérés és modellezés

Dr. Divéki Zsolt egészen a szabadesés vizsgálatáig, Galileinek a modern fizikai fejlődést elindító megállapításaiig nézett vissza. Arisztotelész még úgy gondolta, a könnyű tárgyak lassabban, a nehezebbek gyorsabban esnek. Galilei szerint viszont, aki valójában nem a pisai ferde toronyból figyelte meg a szabadesést, hanem lejtőn gurította le a tárgyakat, a testek tömegüktől függetlenül ugyanannyi idő alatt esnek le egyazon magasságból, illetve megtartják mozgásállapotukat, amíg nem hat rájuk erő.

– Térjünk vissza az újkor elejére, és mérjük meg mi is! – javasolta Dr. Divéki Zsolt. A kísérlet során a teremben önkéntesek mérték a különböző magasságokban kikötött lufik durranása és a lehulló nehezékek csattanása közötti időt, majd a jelzett értékeket az előadó bevezette a newtoni törvények alapján készült alkalmazásba. A csapatmunka – hiszen több ember szükséges ahhoz, hogy egy mérést elvégezzünk, mondta Dr. Divéki Zsolt – elég jó közelítéssel igazolta a Newton által jelzett összefüggést, amelyből kiderült, hogy a földi körülmények között csak a levegő ellenállása miatt tűnik lassabbnak a kisebb súlyú tárgy esése; az első holdraszálláson is elvégzett és lefilmezett kísérlet valóban azt mutatta, hogy a különböző tömegű testek egyszerre érnek le.

Dr. Divéki Zsolt ezután egy elektronnak a lézertérben történő mozgását szemléltette mint az attoszekundumos impulzuskeltés alapjelenségét. Ha erős lézert gázsugárba fókuszálnak, azzal az alaplézer frekvenciájának felharmonikusait hozzák létre, így keletkezik a jelenleg elérhető legrövidebb fényimpulzus, amelynek a kutató az ELI-ben készített képét is bemutatta (hasonlít az épület előtt álló plasztikához).