A magyar fizikai kutatások rég értek el olyan nagy sikert, mint néhány héttel ezelőtt, hiszen Krausz Ferenc megosztva elnyerte a fizikai Nobel-díjat az atto­szekundu­mos lézer atomfizikai kísérletekben való felhasználásáért. Hogyan kapcsolódnak a Nano­plazmonikus Lézeres Fúzió Kutató­laboratórium vizsgálatai ehhez az eredményhez?

– Kutatóprogramunk egyik ága a femto­szekundu­mos lézer­impul­zusok használata (1 femto­szekundum = 1000 atto­szekundum – a szerk.), vagyis hasonló körülményeket teremtünk a kísérleteink során, mint a Nobel-díjjal jutalmazott kutatásokban. Ezek az impulzusok hihetetlenül rövidek, és azért van erre szükségünk, mert így nincs idő a plazma­instabilitá­sok megjelenésére. Az in­stabilitások ugyanis a laboratóriumi magfúzió elő­­idézésének jelentős akadályát jelentik. A kutatásaink fő célja a magfúzió lehetőségeinek tanulmányo­zása. E folyamat közben energia szabadul fel, így a nukleáris fúzió néhány évtized múlva tiszta, nagy mennyiségben és folyamatosan hozzá­férhető energiával láthatja el az emberiséget. Addig azonban még számos akadályt le kell küzdenünk. Ilyen akadály a sokszor elengedhe­­tetlen nagy nyomás. Az általunk alkalmazott lézer­impulzusok azonban elvileg lehetővé teszik, hogy nagyon nagy nyomás nélkül is beinduljon a fúzió.

A NAPLIFE labor kutatói egy daru segítségével emelik fel a nagyobb vákuumkamra tetejét a lézerrel belövendő minták és a közeli detektorok behelyezéséhez. Ezután egy-két napig tart a levegő kiszivattyúzása, majd belövések százai következnek különböző energiákon.

De nem csak az idei fizikai Nobel-díjjal rokoníthatók a kutatásaik.

– Valóban, hiszen a kémiai díjat a legkisebb nano­részecskék, a kvan­­tum­pontok felfedezéséért és elő­állításáért ítélték oda. Az ál­ta­lunk vizsgált plazmonok számos tekintetben össze­függenek a kvantum­pontokkal. Plazmonoknak nevezzük a fémek felületén megjelenő kollektív elektron­mozgásokat, amelyeket esetünkben a lézer­impulzusok energiája hoz létre. Az energia­átadást pedig mi is nano­részecskékkel, konkrétan aranyból álló nano­rudacskákkal segítjük. Ezek a nano­részecskék az adott hullám­hosszú lézerre rezonánsan reagálnak. Így fel tudjuk erősíteni a térerősséget, illetve az energia­sűrűséget a fém felületének közelében. Vagyis itt a modern fizika két élvonalbeli területét: a nano­plazmonikát és az extrém rövid lézer­impulzusokat kombináltuk egymással. Így elérhető, hogy kisebb lézer­teljesítmény hatására is beindulhas­sanak a nukleáris fúziós folyamatok.

Csak egyféle magfúziót lehet esetleg energiatermelésre használni?

– A világ kutatócsoportjai többféle fúziót vizsgálnak. Sok intézet kutatja a deutérium és a trícium fúzióját (ezt a mechanizmust használják a hidrogén­bombában is). Ez nagy nyomás nélkül nem működőképes, ráadásul nagyon energiadús neutronok keletkez­nek a fúzió közben, amelyeket igen nehéz kordában tartani, emiatt veszélyt jelentenek a kezelő­személyzetre és a berendezésre egyaránt. Ezért kezdtek el másfajta fúziós folyamatokat is kutatni, amelyek nem termelnek neutronokat. Ezek közül manapság a proton-bóratommag ütközése a legnépszerűbb. Ilyenkor nem kelet­kezik neutron, csak három alfa­részecske, vagyis hélium­atommag. Mi is vizsgáljuk ezt a fúziót.

Milyen haladást értek el a kutatásaikban az elmúlt évben?

– Olyan céltárgyakat, úgynevezett targeteket kezdtünk gyártani, amelyekbe bórt is helyezünk. Ezekkel vizsgáljuk azt, hogy a lézerrel és a nanoplazmonokkal felgyorsított protonjainknak vajon elegendő energiájuk van-e a proton-bór reakcióhoz. Felmerülhet, hogy honnan tudhatjuk, hogy történt-e nanofúzió, és ha igen, milyen tömegben fuzionáltak az atommagok. Ehhez pontos detekcióra van szükség. Két jellegzetességet kell alapvetően detektálnunk: a céltárgy által elnyert és onnan visszaverődő energiát (a bemenő energiát a lézer erősségének beállításával mi határozzuk meg). Ezeket a jelenségeket minden lépésben pontosan ki kell mérni, ami több hónapos kísérletsorozatot igényel.

A mért krátertérfogatok a lézerintenzitás (felületegységre eső teljesítmény) függvényében, nanorészecskés (narancs) és a nélküli (kék) esetben. A Wigner FK Hydra lézere és az ELI-ALPS-Sylos lézere maximális teljesítményét egy-egy vonal jelöli az ábrán.

Mi a pontos szerepe a kísérletekben a lézernek, illetve a nanorészecskéknek?

– A lézer állítja elő az energia­impulzust. Ahhoz, hogy ez az impulzus elegendően rövid és nagy energiájú legyen, különleges és drága lézerekre van szükség. A kísérleteink leg­költségesebb része a kellően pontos lézeroptika beszerzése. Az intézetünkben rendelkezésre álló Hydra lézer körülbelül 30 millijoule energiát képes egy impulzusba sűríteni. Ezt az impulzust fókuszáljuk a targetre. A fókusz pontosságát úgy ellenőrizzük, hogy a targetet előre-hátra mozgatjuk, és akkor találjuk meg a fókusz­pontot, amikor a visszavert fény intenzitása minimális lesz. Ennek az az oka, hogy a fókuszban olyan erős a céltárgyra ható teljesítmény­sűrűség, hogy lecsökken a fényvisszaverődés.

Miért van szükség nanotechnológiára a céltárgyak elő­készítéséhez?

– Az arany nanorudakat megvásároljuk, majd folyadékállapotban eloszlatjuk őket a térben. Csakhogy a belövésükhöz és a vizsgálatukhoz szilárd halmazállapot szükséges. E probléma megoldására született az az ötlet, hogy használjunk olyan anyagot, amely először folyékony, majd megszilárdítható. Ez olyan polimer, amelyet a fogászok is használnak a fogtöméshez, és UV-fényre szilárdul meg. A kísérleteinkben különböző sűrűségű fém nano­részecskét keverünk ebbe a polimerbe, majd a lézer­belövés hatását vizsgáljuk benne. Ezekhez a kísérle­tek­hez és az eredmények elemzéséhez többféle mű­szerre és kutatói csapatra van szükség. Az eredmények legmarkánsabban az utólagos mikroszkópos felvételeken látszanak, amelyeken megvizsgáljuk, hogy a lövés milyen mély krátert fúrt ebbe az anyagba.

25 mJ-os lézernyaláb ütötte kráterek egymáshoz viszonyítva méretarányos képe. Az arany nanorészecskékkel dúsított esetben jóval nagyobb a kráter, ez az energiatöbblet jele. A legjobb elért arány eddig Q = E_ki/E_be = 6; a Los Alamos-i NIF 2022-ben Q = 1,5-öt jelentett be (jóval nagyobb költséggel).

Milyen eredményt kaptak?

– Azt találtuk, hogy – azonos erejű lézerrel lőve – a nanorészecskéket tartalmazó anyagban ötször-hétszer akkorák a kráterek, mint amikor nincsenek jelen a nanorészecskék. Vagyis ebből az következik, hogy nanorészecskék jelenlétében valamilyen forrásból többletenergia termelődött. Erre nincs más magyarázat, mint hogy ez az energia a mag­fúzióból származott. Két év alatt jutottunk el eddig az eredményig, és ezen az úton haladunk tovább. Az amerikai kutatók bejelentették, hogy ők a besugárzásnál másfélszer több energiát nyertek ki a fúziós rendszerükből. A mi kísérleteinkben hat-hétszeres kijövő energiát mértünk. Ez bizonyítja, hogy jó úton járunk. A gyakorlati alkalmazáshoz természete­sen még nagyobb faktort kell elérni. Ezért az elméleti (számítógépes szimulációs) és kísérletes kutatásainkat folytatva tovább vizsgáljuk, hogy milyen nano­részecskék lehetnek a legjobbak, és mi lehet az ideális elrendezésük az effektus fokozása érdekében.•

Címlapkép forrása: Wigner FK