A Fény napján Dr. Varjú Katalin, a szegedi ELI ALPS lézeres kutatóintézet tudományos igazgatója az attoszekundumos impulzussorozatok keltéséről tartott előadást. Dr. Varjú Katalin a Szegedi Tudományegyetemen szerezte kitüntetéses fizikus diplomáját, majd Angliában szerzett PhD-fokozatot. Kutatásait számos ösztöndíjjal támogatták, többek között kitüntették az MTA Fizikai Díjával, a Lundi Egyetemen a 2023-ban fizikai Nobel-díjat elnyert Anne L’Huillier közeli kutatótársa volt. Kutatási területe a fény-anyag kölcsönhatások, a magasharmonikus-keltés, valamint attoszekundumos impulzussorozatok keltése és kapcsolódó alkalmazások.

Dr. Varjú Katalin, az ELI ALPS tudományos igazgatója. Fotó: Lőrincz Ilona

Dr. Varjú Katalin a lézerfény 65. születésnapján tartott előadása elején bemutatta az ELI ALPS lézeres kutatóintézet működési modelljét: elmondta, hogy az intézet felhasználói létesítmény, ami azt jelenti, hogy berendezéseiket a nemzetközi tudományos közösség rendelkezésére bocsátják; a helyszínen végzendő tudományos kísérlet elvégzésére félévente lehet pályázni „lézeridőre”, azaz olyan idősávokra, melyekben használhatják a kutatóintézet lézereit.

A közönség Varjú Katalintól megtudta, hogy az ELI ALPS-ban különleges képességekkel bíró impulzuslézereket és ezeket felhasználó másodlagos nyalábvonalakat üzemeltetnek. A lézer nem más, mint egy különleges fényforrás, amely időben és térben koherens, nagyon kis széttartású fénynyalábot bocsát ki. A lézerfény nagyrészt párhuzamos fénysugarakból áll, energiája a térnek egy kis részére összpontosítható. Az impulzuslézer pedig azt jelenti, hogy az ilyen lézerfény nem folyamatos, hanem rövid időközönként nagy energiát hordozó felvillanásokból áll. Az impulzuslézerek különlegessége lehet a kiemelkedően magas ismétlési frekvencia, vagyis az, amikor az impulzusok gyorsan követik egymást; különleges tulajdonságuk lehet az impulzusok ultrarövid időtartama is, ami extrém nagyra növeli az általuk hordozott csúcsteljesítményt.

Az ELI nagy lézerrendszerei közül mindegyik más-más paraméterében élenjáró a világon. A SYLOS lézer például 1 másodperc alatt 1000 felvillanást tud, egy felvillanása körülbelül 10 femtoszekundum (vagyis 1015 s) ideig tart. A nyaláb átlagteljesítménye 50W körüli, a csúcsteljesítménye pedig 5 TW (5x1012 W), ami a paksi erőmű teljesítményének 2600-szorosát jelenti az impulzus ultrarövid időtartama alatt. E csúcsteljesítmény annyira erős, hogy amikor a fény kölcsönhatásba lép az anyaggal, képes kiszakítani az elektront az atommagban lévő pozitív töltésű proton közeléből.

A lézer létrehozásának lehetőségét először Einstein írta le fotoelektromos hatás magyarázatáról írott publikációjában. Einstein szerint az anyagnak és a fénynek háromféle kölcsönhatása lehetséges: az elnyelés (az anyag elnyeli a fényt), az emisszió (az anyag kibocsátja a fényt), és a kényszerített emisszió. Utóbbi folyamán a fény és az anyag kölcsönhatásakor két hasonló tulajdonságú foton távozik az anyagból, ami erősítést tesz lehetővé. A lézer betűszó azt jelenti, hogy fényerősítés kényszerített emisszió révén. Einstein elmélete után 1960-ban Theodore Maiman írta jegyzőkönyvébe először, hogy lézerműködést figyelt meg. Dr. Varjú Katalin érdekességképpen kiemelte, ezután nem sokkal már a filmiparban is megjelent a lézer: 1964-ben James Bond-filmben, 1977-ben pedig a Csillagok háborújában. Ekkoriban még a tudományos fantasztikus műfaj túlzásának érezték a lézerek vonónyalábként való alkalmazását, a mára megvalósult optikai csipesz azonban jóval kisebb méretben, de ugyanezen az elven működik. A mobiltelefonok alkatrészeinek készítéséhez is számos lézertípust használnak.

A Fény napja az ELI ALPS lézeres kutatóintézetben. Fotó: Lőrincz Ilona

Dr. Varjú Katalin kitért a lézernyalábvonalak építésére is. Elmondta, hogy laborjaikban munkaasztalokra helyezett csövekben, dobozokban terelik a lézerfényt az optikai elemek között. A lézerfény vákuum körülményeket, különleges védelmet igényel, mivel egy kis levegőmozgás is megzavarhatná a működését. – Ha valaki belenézhetne ezekbe a dobozokba, azt látná, hogy a lézerfizikusok tevékenysége olyan, mint a legózás – mondta az előadó. Különböző optikai elemeket – például erősítő kristályokat, tükröket, lencséket – kell a megfelelő helyre rögzíteni: így tudják a megfelelő paraméterekkel rendelkező lézernyalábot létrehozni.

Az impulzuslézerek nagy átlagos teljesítménye az 1980-as évekre a lézerek fejlődésének gátja lett. A nagy intenzitás ugyanis károsította a nyalábvonalak felépítésében használt az optikai elemeket. Erre a problémára talált megoldást a Szegedi Tudományegyetem jelenlegi kutatóprofesszora, Gérard Mourou és akkori doktorandusza, Donna Strickland, akik előbb időben megnyújtották a lézerfényt és ezután növelték az energiáját, a végén pedig egy kompresszorral összenyomták, és ekkor lett nagyon nagy intenzitású. Felfedezésükért 2018-ban fizikai Nobel-díjat kaptak.

Ez a nagy energiájú, ultrarövid impulzusú lézerfény alkalmas arra, hogy a segítségével attoszekundumos felvillanásokból álló fényt állítsanak elő. Előállításának egyik módszerében nemesgáz sugárba irányítanak nagy energiájú, ultrarövid impulzusú lézerfényt. A lézer energiájának hatására a nemesgázatom egy elektronja kiszakad, majd az impulzus áthaladása után visszatér az atommagba, eközben pedig fényvillanást bocsát ki. Bizonyos leegyszerűsítéssel az érkező lézerimpulzusok által keltett fényvillanások alkotják az attoszekundumos fényt.

Az ELI ALPS-ban működtetett femtoszekundumos impulzuslézerek maguk is alkalmasak az atomi szintű jelenségek vizsgálatára. A metódusért, amit a fizikusok pumpa-próba kísérletnek neveznek, Ahmed Zewail 1999-ben kémiai Nobel-díjat kapott. A lényege abban áll, hogy a vizsgálati mintára irányított lézerfényt két ágra bontják és az egyiket rövid időtartammal késleltetik a másikhoz képest. A mintára elsőként érkező nyaláb fogja kiváltani a fény-anyag kölcsönhatást, a másodjára érkező nyalábbal pedig a jelenség időbeli lefolyását lehet vizsgálni, egyszerűen szólva így lehet lefotózni az atomi szintű változásokat. Az attoszekundumos fény hasonló módszerrel alkalmazható az elektronok mozgásának vizsgálatára.

Fotó: Lőrincz Ilona

Dr. Varjú Katalin szerint minél kisebb egy test, annál gyorsabban mozog; minél gyorsabb egy mozgás, annál rövidebb idejű expozícióval lehet kötni a változásait. Az attoszekundumos lézerimpulzus lehetővé teszi, hogy a nagyon kicsi és gyors elektronok mozgását lehessen vizsgálni.

Az előadás végén Dr. Varjú Katalin elmondta, megkérdezte kollegáit, mi jut eszükbe a Nobel-díjról. Szent-Györgyi Albert, Karikó Katalin, csokoládé, az Agymenők – szóltak a válaszok. Ezek között valaki megemlítette Rejtő Jenő A 14 karátos autó című regényét is, amely úgy kezdődik, Gorcsev Iván elnyerte a fizikai Nobel-díjat. A makaó nevű kártyajátékon. Ez Dr. Varjú Katalinnak felkeltette az érdeklődését, és végzett egy kis kutatást, vajon miért foglalkoztathatta Rejtő Jenőt 1940-ben a Nobel-díj: arra jutott, hogy hatással lehetett rá Szent-Györgyi Albert 1937-es Nobel-díja, Korcsmáros Dezső 1963-as Rejtő-képregényére pedig pedig Wigner Jenő 1963-as Nobel-díja.

Balog Helga - Panek Sándor

A borítóképen: A Fény napja az ELI ALPS lézeres kutatóintézetben. Fotó: Lőrincz Ilona