2013. május: jegyzet, portré, tudomány, innováció, startup, egyetem, agrárium, zöldkörnyezet, atomenergia, hulladékgazdálkodás, disszemináció, elektronika, biztonságtechnika, it, nanotechnológia
2013. május 2.

Szerző:
Szegedi Imre

Lézerkutatás: határozott célok, határtalan lehetőségek

Az Európa három városában – Szeged, Prága, Bukarest – megépülő ELI lehet a világon az első olyan komplex tudományos berendezés, amellyel a fény és az anyag kölcsönhatását az úgynevezett relativisztikus tartományhoz közel lehet vizsgálni. Ha minden a tervek szerint alakul, akkor ez a műszercsoport kaput nyit a fizika új területeire, és olyan új műszaki fejlesztéseket alapoz meg, mint a relativisztikus mikroelektronika vagy éppen a kisméretű lézeres ré­szecs­ke-gyorsítók. Hogy pontosan mire is lesz képes a Tisza partján épülő ELI-ALPS lézeres kutatóközpont, arról a tudományos program kialakításában részt vevő fizikusokat kérdeztük.


A Science tudományos folyóirat 2005 júliusában száz olyan kérdést tett közzé, amely – a világ vezető tudományos lapjának szerkesztői szerint – a tudomány határait feszegeti. Olyan kérdésekre kerestek egyebek között választ, mint hogy miénk-e az egyetlen világegyetem, mi táplálja a kvazárokat, illetve mi a gravitáció természete? Ezen a százas listán a tizenhatodik kérdés ez volt: mekkora a legnagyobb teljesítményű lézer, amit a kutatók fel tudnak építeni? Az elméleti szakemberek azt állítják, hogy egy elég nagy teljesítményű lézer elektromágneses tere elektron-pozitron párokká tépné szét a fotonokat, kioltva ezzel a fénynyalábot. Ez a tér­erősség a szakemberek szerint bizonyosan elérhető, ugyanakkor a technológiai részletkérdések tisztázása várhatóan eltart még legalább az évtized végéig. Ha nem is tud választ adni erre a kérdésre az Európa három pontján épülő ELI (Extreme Light Infrastructure), közelebb vihet a megoldáshoz, hiszen például a szegedi szuperlézer impulzusainak majdani csúcsteljesítménye a Föld elektromos erőműveinek összteljesítményénél ezerszer nagyobb lesz. Persze ez a teljesítmény nagyon rövid idejű impulzusokhoz tartozik: a másodperc milliomod része milliomod részének az ezredrészéig él ez a hatalmas teljesítmény. Ha ezt az ultra nagy teljesítményű lézernyalábot egy hajszál vastagságának törtrészére koncentráljuk, akkor ott olyan nyomása lesz, ami felér százezer tankhajó súlyának egy ujjhegynyi területre gyakorolt hatásával.

Az első, nagy teljesítményű lézerekre alapozott civil kutatási nagyberendezést, az Extreme Light Infrastructure-t nemzetközi össze­fogással, egységes igazgatósággal és kutatási stratégiával hozzák létre. Az ELI három intézetet jelent. A prágai ELI-Beamlines intézet nagy fényességű röntgen- és részecskeforrásokat használ majd. A Bukarest mellett található magurelei Atomfizikai Intézetben (Institutul de Fizică Atomică) a lézerindukált nukleáris fizikai kérdések megválaszolására koncentrálnak. A számunkra leginkább izgalmas szegedi bázison, az ELI Attoszekundumos Fényimpulzus Forrás (Attosecond Light Pulse Source, azaz ALPS) nevet viselő kutatóhelyen egyedülálló attoszekundumos létesítményt hoznak létre, amely a terahertztől (10 a tizenkettediken hertz) a röntgen (10 a tizennyolcadikon, 10 a ti­zenkilencediken hertz) tartományig biztosít fényforrást a fejlesztők és a felhasználók számára ultrarövid impulzusok formájában, nagy ismétlési frekvenciával. Ezeknek a hihetetlenül rövid fényjeleknek az előállításához csúcskategóriájú lézerrendszerekre van szükség. Arról később születik döntés, hogy az ELI legnagyobb teljesítményű, 200 petawattos (10 a tizenötödiken watt) lézere a három helyszín közül hol épül meg. Hogy fogalmunk legyen róla, mit jelent a 200 petawatt: ma egy-két petawattos teljesítményű lézerek működnek a világon.

A majdani szuperlézer helyszíne Szeged-Öthalomban

A 216 millió eurós összköltségvetésű magyarországi gigaberuházás tudományos menedzsmentjének vezetője a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) docense, Osvay Károly. A tizenhárom ország részvételével 2007-től 2010-ig tartó nemzetközi előkészítő fázisban a magyar hozzájárulás legalább felét a szegediek adták, ami érthető, hiszen az ultrarövid impulzusú, nagy intenzitású lézerek és alkalmazásaik hazai centruma Szeged. Ezt jelzi az a tény is, hogy a csongrádi megyeszékhelyre tervezett szuperlézer nemzetközi kutatási menedzsmentjének minden volt és jelenlegi magyar tagja – Divéki Zsolt, Dombi Péter, Rácz Ervin, Varjú Katalin és Fülöp József – a Szegedi Tudományegyetemen diplomázott vagy szerzett PhD-fokozatot. Ugyanakkor azt sem szabad elfelejteni, hogy az ultrarövid – attoszekundumos – impulzusok generálásának elvét először az MTA KFKI Szilárdtest-fizikai és Optikai Kutatóintézetében (SZFKI) Farkas Győző és csoportja dogozta ki. Erről a munkáról már 1992-ben jelent meg cikkük. Azokat a csörpölt lézertükröket, amelyekkel a világ legrövidebb impulzusait lehetett előállítani, szintén itt hozták létre (Szipőcs Róbert, Ferencz Kárpát és mások). Itthon az első attoszekundumos impulzussorozatot ugyancsak az MTA SZFKI-ban – ma Wigner Fizikai Kutatóközpont – valósították meg kísérletileg.

Osvay Károly szerint a tudományos program fő célkitűzése, ha tetszik, missziója, egy olyan berendezés megalkotása, amellyel alap- és alkalmazott kutatás végezhető a legnagyobb intenzitás és legrövidebb impulzushossz mellett extrém intenzitású lézernyalábokkal, valamint az általuk gerjesztett részecske és elektromágneses sugárnyalábokkal. Az ELI-ALPS-ban végzett kísérletek alapján kifejlesztett technológiákkal a későbbiekben a lézer-, illetve egyéb fotonforrások mérete csökkenthető, melyeket azután olyan területeken alkalmazhatnak, amilyenekre korábban gondolni sem mertek. A 2017 végére felépülő lézerközpontban folyó kutatások céljai között meg kell említeni az ultrarövid lézerimpulzusokkal, valamint az előállított egyéb fénysugárzásokkal olyan nagy időfelbontású kísérletek elvégzését, amelyek a fizika, a kémia, az orvostudomány és az anyagtudomány területén is áttörést hozhatnak.

Az ELI-ALPS három részre osztható. A rendszer lelkét az úgyneve­zett elsődleges fényforrások jelentik, amelyek a lézernyalábokat biztosítják. A kutatásokhoz nélkülözhetetlen három nagyobb és két kisebb lézerberendezés a keltett lézerimpulzusok időbeli rövidsége, energiája és ismétlési frekvenciája miatt már önmagában is párját ritkítja. A szegedi lézerfizikus szerint ezek egy intézetben való együttes jelenléte viszont abszolút unikális, komplementer kutatások elvégzését is lehetővé teszi. A lézerek segítségével előállított úgynevezett másodlagos fényforrásokból érkeznek a röntgen-, illetve a terahertzes impulzusok, illetve a vizsgálatokhoz szükséges gyorsított részecskék. Az ELI-ALPS másodlagos fényforrásaihoz tartozik a gáz alapú, magas-harmonikus és attoszekundumos impulzusokat (GHHG) elő­állító berendezés, a szilárdtest alapú magas-harmonikusokat keltő és attoszekundumos impulzusokat (SHHG) szolgáltató eszköz, a lézeres elektron- és iongyorsító, a terahertzes fényforrás, illetve az ultraibolya és látható hullámhossztartományba eső fényforrás.

A másodlagos fényforrások lehetséges fontosabb alkalmazásai között kell említeni az orvostudományt (gyorsított proton- és ionnyalábokkal új kezelési eljárások alakíthatók ki), a biológiát (fehérjék strukturális elemzésére nyílik lehetőség), a kémiát (anyagvizsgálat, molekulák fényképezése terahertzes és röntgennyalábokkal). Az orvosi alkalmazások között nagy jövőt jósolnak annak a lehetőségnek, hogy az alkalmazott ionsugárzás energiája kizárólag a megcélzott tumorban nyelődjön el (tűszerű részecskeimpulzusok révén pontszerű roncsolás érhető el). Ez azon alapul, hogy a sugarakat minden korábbinál jobban hozzá tudják igazítani a tumor alakjához, ezzel a környező ép szöveteket kímélhetik. A lézerközpontba tervezett kutatások közül kiemelkedik az elektronok atomokban, molekulákban, plazmákban és biológiai mintákban való, a femto-, illetve attoszekundumos skálán történő időbeli vizsgálata mellett a legkorszerűbb radioterápiás módszerek kifejlesztéséhez való hozzájárulás. A méréseket a kísérleti és munkaállomásokon végzik el. Osvay Károly szerint a lézersugarak nem olyanok lesznek, mint a lézerpointer, amelyen megnyomják a gombot és folyamatosan világít, hanem nagyon rövid fénycsomagokat bocsátanak majd ki.

A tízhektáros területen négy, összesen 25 ezer négyzetméter alapterületű épületet húznak fel. Az A épületben tíz laboratóriumot alakítanak ki. Itt működik majd a három nagy és a két kisebb lézerrendszer. Ezek erejét az adja, hogy teljesítményüket akár néhány négyzetmilliméteres területre lehet koncentrálni. A tökéletes eredmények elérése érdekében az A épületet speciális, rezgésmentes alapra építik, nem lesz bent folyó víz és a légkondicionálást is a B épületből átvezetett rendszeren keresztül oldják meg. Hogy a külső sugárzást kint, a belsőt pedig bent tartsák, a legjobban védett kísérleti területet kétméteres betonfal veszi majd körül. A B kiszolgáló épületként funkcionál majd, a C-ben kapnak helyet az irodák és a konferencia-központ, a D karbantartó helyiség és raktár lesz.

Az ELI-ALPS épületei madártávlatból (látványterv)

A tudományos berendezések (lézerek, lézerekkel keltett másodlagos fényforrások, célkamrák, valamint a kiegészítő tudományos előkészítő és mérőlaboratóriumok) koncepcionális tervei tizenkilenc európai, három amerikai és négy hazai intézmény közel száz tudósának bevonásával készültek el rekordidő, alig nyolc hónap alatt. A lézerek, illetve a másodlagos fényforrások tudományos berendezéseinek koncepcionális terveit a nemzetközi Tudományos Tanácsadó Testület április végén hagyta jóvá, az írásbeli jelentés májusban várható.

Lehrner Lóránt, az ELI-ALPS projektet koordináló ELI-HU Non­pro­fit Kft. ügyvezető igazgatója a jelenleg II. előkészítési szakaszban lévő projektről elmondta, hogy a terveknek megfelelően történik a Szeged-Öthalomban található, az ELI-ALPS-nak helyet adó terület elő­készítése. A lőszermentesítés, cserjeirtás és a betonelemek eltávolítása után a régészeti munkálatok elvégzése következik. A múlt év végén megkapták az építési engedélyeket, várhatóan idén ősszel kezdődik el az alapozás, a kutatóközpont felépítésére pedig 2015 vége a határidő. Az építészeti munkálatok mellett gőzerővel folynak a nemzetközi tudományos erőfeszítések is a projektben. Április közepén, e sorok írásakor a világ számos tájáról érkezett több­tucatnyi lézer­fizikus és tudós, az ELI-ALPS Tudományos Tanácsa konzultál a lézerberendezések koncepcionális tervei­rőlBudapesten.

A szegedi lézeres kutatóintézethez a lézerfizikában érintett egyetemek, kutatóintézetek saját oktatási és kutatási programokkal kapcsolódnak. Ezek a programok természetesen nem rivalizálnak, hanem kiegészítik egymást. „A Műegyetem ilyen vonatkozású kutatás-fejlesztési programjai között meg kell említeni a különleges lézertükrök és hordozók minősítését, optikai rácsok vizsgálatát és minősítését, különböző nanostruktúrák vizsgálatát, akusztooptikai eszközök fejlesztését és beüzemelését” – tájékoztatott Maák Pál, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem docense. A lézertükrök esetében a 100 mikrométeres mintákat 10-20 nanométeres pontossággal szeretnék elemezni. Réteg- és felületi sérülések optikai vizsgálatakor 10 nanométeres mélységi felbontás elérését tervezik. A Műegyetemen célzott akusztooptikai eszközöket is fejlesztenek femtoszekundumos lézerekhez, illetve új szűrőket is szeretnének készíteni, amelyek optikai felbontása a meglevő akusztikus meghajtók frekvenciatartományában a lehető legjobb – vázolja a terveket Maák Pál.

Nagy felelősséggel járó művelet az építkezési terület lőszermentesítése

Az ELI magyarországi megvalósítását hazai költségvetési forrásból egy célzott programon, a hELIos-on belül három hazai projekttel is segítik. A Pécsi Tudományegyetem (PTE) által koordinált ELIEDU oktatási programon belül az idei tanév második félévétől mesterképzésben részt vevők számára hirdetett meg egy új, közös labortárgyat az SZTE, a PTE és a BME. A tantárgy keretében tervezett tizenegy mérésből öt mindhárom egyetemen elérhető, a többiért az adott intézményhez kell menni. A BME-en tervezett mérések között lesz diszperziómérés fehér fényű interferométerrel, szögdiszperziómérés, fény polarizációs tulajdonságainak jellemzése, Gauss-nyalábok terjedése és kezelése, femtoszekundumos lézerimpulzusok autokorrelációja. Csak itt lesz lehetőség femtoszekundumos impulzusok alakformálására akusztooptikai eszközökkel, illetve nyalábformálásra térbeli szűrőtechnikák felhasználásával. Az intézmény egy új kutatólaboratórium létrehozását is tervezi, ahol optikai kristályokat vizsgálhatnak, akuszto- és elektrooptikai eszközöket építhetnek, illetve lézernyalábok irányát és fázisát stabilizálhatják. A BME-en a szegedi szuperlézerrel kapcsolatos előkészítő munkában jelenleg három mesterszakos fizikus hallgató és egy PhD-hallgató vesz részt. „Felvételüket, a fejlesztésekbe való bekapcsolásukat sürgősen meg kell oldani” – mondja Maák Pál.

További 18 végzős BSc hallgató vett részt a 2011/12-es tanév tavaszi félévében az ELI-s labortárgy főpróbájául szolgáló femtoszekundumos tárgyú méréseken a szegedi, pécsi egyetemen, valamint a BME-n. További négy egyetemista 2013-ban vagy később végez. Közülük kerülhetnek ki a szegedi központ munkatársai. A két kutatási hELIos program célja olyan új eszközök, módszerek, mérési technikák és technológiák kifejlesztése és megvalósítása, amelyek közvetlenül kapcsolódnak az ELI-ALPS nagyberendezés megépítéséhez. Ezek a témakörök az új lézerrendszerek létrehozásától és az azokkal kelthető attoszekundumos lágy-röntgen forrásoktól, az optikai méréstechnikán, a vékonyréteg-technológián, a szuperintenzív lézerterekben lejátszódó folyamatok elméleti modellezésén keresztül az adatfeldolgozásig számos területet fogtak át.

Fakitermelés, cserjeirtás

A Czitrovszky Aladár professzor koordinálásával 2011. május 16. és 2013. március 16. között futott, 185 millió forintos támogatást elnyert budapesti hELIos programban a Wigner Fizikai Kutatóközpont két intézete, a Szilárdtest-fizikai és Optikai Intézet, a Részecske- és Magfizikai Intézet, az Optilab Kft., a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Atomfizika, valamint Fizika Tanszéke, illetve az MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézete vett részt. A programban mintegy negyven kutató- és fejlesztőmérnök dolgozott. A kétéves munka egyik kiemelkedő eredményeként egy femto- és attoszekundumos laboratóriumot hoztak létre, ahol ugyanolyan elven, mint ahogy az ELI-ALPS nagyberendezésben is tervezik, attoszekundumos impulzusokat generáltak. Megépítettek egy roncsolási küszöb mérésére alkalmas mérőberendezést (a roncsolási küszöböt nem illik elérni, mert a vizsgált anyag szétesik), a roncsolás kezdetének kimutatására pedig érzékeny módszert fejlesztettek ki, amelynek segítségével különböző fém- és dielektrikum tükrök roncsolási küszöbét mérték meg. Az interferometrikus felületvizsgáló laboratórium létrehozása mellett egy, a vibráció mérésére alkalmas berendezést is megalkottak, amely az optikai alkatrészek pontos beállítására szolgál. Czitrovszky Aladár elmondta, hogy a további célok között szerepel a roncsolási küszöb függésének mérése az alkalmazott lézer impulzushossztól, az ismétlési rátától, a nyalábátmérőtől, illetve az impulzusszámtól. Szintén a jövő feladata a kísérletek minél teljesebb automatizálása, valamint az úgynevezett dielektrikum tükrök, illetve egyéb optikai elemek vizsgálatának rutinszerű kidolgozása.

A 190 millió forint költségvetésű, Osvay Károly, Szabó Gábor, az SZTE rektora és Hebling János, a PTE Fizikai Intézetének igazgatója koordinációjával folyó és 2014 januárjában befejeződő másik hELIos kutatási programban a Szegedi Tudományegyetem és a Pécsi Tudományegyetem vesz részt. Ennek során megújul a már egy évtizede működő két szegedi nagy intenzitású femtoszekundumos lézerlaboratórium (a HILL és a Tewati), továbbá létrejön a pécsi terahertzes laboratórium. Ezek keretein belül új magasharmonikus-keltési és elektronspektroszkópiai eszközöket, kilohertz ismétlési frekvenciájú, néhány ciklusú lézeregységeket, femtoszekundumos, illetve terahertzes diagnosztikai eszközöket vásároltak és építettek be. A programban részt vevő több mint harminc egyetemi és PhD-hallgató és a munkájukat irányító közel húsz tudományos munkatárs már eddig is kiemelkedő nemzetközi publikációkhoz járult hozzá a lézeres technológia, illetve az attoszekundumos fényforrások területén.

A betonelemek deponálása szintén a terület-előkészítés része

A PTE kutatói a terahertzes frekvenciatartományba eső impulzusok előállításában majd egy évtizede kiemelkedő eredményeket érnek el, jelenleg is a pécsi kutatók nevéhez fűződik a legnagyobb energiájú impulzusok előállítása. A terahertzes impulzusok alkalmazása az ELI-ALPS célkitűzéseit számos területen segítheti elő. A magas-harmonikusok létrehozásának hatásfoka és a keltés során létrejövő összetevők frekvenciája jelentősen megnövelhető egy, a harmonikus keltése közben jelen lévő intenzív terahertzes tér segítségével, amint azt az SZTE kutatóival közösen bebizonyították. Ezek következtében a létrehozható impulzusok rövidebbek és nagyobb energiájúak lehetnek. Almási Gábor, a PTE Fizikai Intézetének igazgatóhelyettese elmondta, hogy ezek az egy vagy legfeljebb néhány rezgésből álló impulzusok a harmonikuskeltésen kívül más módon, az úgynevezett Thomson-szóráson keresztül is felhasználhatók attoszekundumos impulzusok keltésére, s a folyamatban ráadásul az attoszekundumos impulzus pontos alakja is jól kontrollálható. Izgalmas alkalmazási lehetőség közelébe jutottak a pécsi kutatók azzal, hogy olyan új kísérleti elrendezéseket dolgoztak ki, amelyek a terahertzes impulzusok energiájának további jelentős megnövelését eredményezik. „A tíz millijoule energiájú impulzusok segítségével már megvalósítható a protonok utógyorsítása és egyidejűleg energiájuk szórásának csökkentése is, ami az orvosi alkalmazások számára fontos eredmény. A pécsi fizikai intézetben elért eredményeket több szabadalmi beadvány is védi, ezek megléte is alátámasztja a magyar tudomány hozzájárulását az ELI projekthez” – tudtuk meg Almási Gábortól.

Látványterv az udvar felől

Az ELI-ALPS-ban végzett kutatásokhoz, a lézerek működtetéséhez 2015-től 120-150 tudósra lesz szükség. Nemcsak fizikusokra, hanem vegyészekre, orvosokra, biológusokra, ásványtanban jártas szakértőkre, azaz minden olyan tudományterület szakembereire, ahol az ELI-ALPS áttörést hozhat. A fiatal kutatók a projektben részt vevő külföldi intézményekben tanulhatják meg a különböző berendezések megtervezését és megépítését. A megszerzett tudással és az ott létrehozott berendezésekkel hazatérve az ELI-ALPS-ban folytathatják kutatásaikat. Az ELI-ALPS másodlagos missziója: az itt dolgozó kutatók működjenek közre abban, hogy 2020-ra megépülhessen a tervezett 200 petawattos lézer.•

 
Innotéka