Terítik a lézerek svédasztalát Szegeden

Célegyenesbe érkezett a szegedi lézeres kutatóközpont, az ELI-ALPS építkezése – az épületkomplexum hamarosan elkészül, ezt követi a műszaki átadás folyamata és a beköltözés. A négy nagy lézerből kettő már készen várja, hogy beköltözhessen a csak nekik épített hatalmas csarnokokba. „Ha minden a tervek szerint halad, 2017 második felében megkezdődhetnek az első kísérletek is az épületben” – mondta el Osvay Károly, az ELI-ALPS kutatási-technológiai igazgatója.

A nagyjából kétszáz alkalmazottat (akik kétharmada kutató, illetve kutató mérnök) foglalkoztató intézmény elsődleges feladata nem annyira az önálló kutatás, hanem a kísérleti kutatási környezet biztosítása – innen a név is: Extreme Light Infrastructure – olyan vizsgálatok számára, amelyekhez valami okból elengedhetetlenek a lézerek. Persze nem akármilyen lézerek!

Panorámafelvétel az ELI-ALPS épületéről Forrás: ELI-ALPS

Miért éppen a lézer?

A minket körülvevő anyagok – hacsak valaki nem tesz le elém az asztalra egy maréknyi neutront – javarészt elektromos töltéssel rendelkező részecskékből állnak. Míg a pozitív töltések az atommagokban koncentrálódnak, a negatív töltésű elektronok felelősek a különféle kémiai kötések kialakításáért, a molekulák térszerkezetének meghatározásáért, a töltések átviteléért (lásd: áram) és még ki tudja mi mindenért.

Ahhoz, hogy elektromos töltéssel rendelkező részecskék tulajdonságait vizsgáljuk, nem kell mást tennünk, mint „megbökni” őket, majd pedig nézni, hogyan reagálnak. Ha jobban belegondolunk, voltaképpen minden mérés így működik: ha optikai mikroszkópba nézünk, látható fénnyel „bökdössük” a tárgylemezre helyezett mintát, és megnézzük, milyen fényt kapunk vissza, ha röntgenfelvételt készítünk egy törött karról, röntgensugarakkal „bökdössük” a testrészt, és megnézzük, hol nyeli el a sugarakat. Sőt, a csillagászatban is hasonló a helyzet, csak ott a csillagok fénye (elektromágneses sugárzása) „bökdösi” a távcső innenső felén levő érzékelőt/filmlemezt, és azok a pontok adnak képet, ahol valami „megbökte” az érzékelőt. Röviden: ha mérni akarunk valamit, „bökjük meg” a megfelelő eszközzel, és nézzük, mi történik.

A fizikusok persze ezt már elég rég kitalálták, és a kísérleti fizika jelentős részben arról szól, hogy mit böködjünk mivel, és hogyan érzékeljük az eredményt (újabb böködéssel, természetesen). Ha elektromosan töltött részecskéket – főként: elektronokat – szeretnénk vizsgálni, a fény ideális „böködőnek” bizonyul, ugyanis elektromágneses hullámként képes kölcsönhatni az elektromágneses töltés hordozóival. Ráadásul Einstein óta tudjuk, hogy nincs nála gyorsabb a világon. Ismeretes az is – és ez már a kvantummechanika világa –, hogy adott állapotú elektront csak megfelelő hullámhosszú fény képes „megbökni”, vagyis gerjeszteni.

Forrás: ELI-ALPS

Lássuk tehát, milyen lenne az az eszköz, amelyről az elektromosan töltött részecskék, kiváltképp az elektronok titkait kifürkészni vágyó fizikusok álmodoznak!

• Adjon ki fényt – ezzel fogjuk befolyásolni az elektromágneses teret.
• Pontosan meghatározhassuk, milyen hullámhosszú fényt ad ki – ezzel megmondhatjuk, hogy milyen elektronokat szeretnénk gerjeszteni.
• Egyszerre csak egy rövid „fénycsomagot”, fényimpulzust adjon ki – minél rövidebb idő alatt szeretnénk figyelni a folyamatokat, hiszen ezek igen gyorsan zajlanak. Hosszú fényimpulzus csak érdektelen eredményt ad: mintha egy rúdugró gyakorlatáról csak annyit tudnánk, hogy a nekifutott, majd pedig azt látjuk, hogy az ugrás után ott hever a szőnyegen.
• A fényimpulzusok gyors egymásutánban kövessék egymást – egy-egy mérés nem mond sokat, az eredmények sok ezer egyedi mérésből készített statisztikából születnek.

Nos, a Szegeden épülő ELI ALPS nagyjából ezeket tudja – nagyjából úgy, ahogyan egy Forma-1-es autó is négy keréken gurul és gyors.

Mitől szuper a szuperlézer?

Az ELI-ről szóló korábbi híradások sok esetben nagy teljesítményű „szuperlézerről” tudósítottak, és a fizika terén kevésbé járatos olvasók azt gondolhatták, hogy Szeged mellett titkos csillagháborús bázis épül holmi kutatólabornak álcázva. A fizikában azonban a teljesítmény lényegében azt méri, hogy mennyi munkát végez egy rendszer, vagy mennyi energiát bocsát ki/használ fel egy berendezés egységnyi idő alatt.

Az ELI-ALPS lézereinek egyik legfontosabb tulajdonsága pedig az, hogy nagyon-nagyon rövid időtartamú lézerimpulzusokat képesek kibocsátani. Ezek közül valóban vannak olyanok, amelyek csúcsteljesítménye néhány petawatt, vagyis igen rövid ideig – néhány femtoszekundumig, azaz a másodperc milliárdszor milliomod részéig – akkora energiát szolgáltatnak, mint egymillió darab Paksi Atomerőmű. Ha azonban összeszorozzuk a számokat, hamar láthatjuk, hogy, még ha másodpercenként több ezernyi ilyen impulzust is kiad magából a „szuperlézer”, akkor sem kell attól félnünk, hogy az ország áram nélkül marad.

Az ELI-ALPS igazi „szuperképessége” azonban nem az őrületes csúcsteljesítményben rejlik, hanem abban, hogy képes néhány attoszekundumos (milliárdszor milliárdod, vagyis 10^-18 másodperces) hosszúságú fényimpulzusokat is előállítani, amelyek – ha visszatérünk korábbi rúdugrós példánkhoz – képesek gyors villogású stroboszkópként „kifagyasztani” az ugrás, vagyis az elektronok állapotváltozásainak köztes állapotait. Ebből is ered az ALPS rövidítés: attosecond light pulse source – attoszekundumos fényimpluzus-forrás. És hogy mennyi is egy attoszekundum? Nos, a Szegedi Tudományegyetem rektora, Szabó Gábor nagyszerű hasonlatot talált e rövidke időtartam megragadására: eszerint egy másodperc hozzávetőlegesen úgy aránylik a világegyetem keletkezésétől a mai napig eltelt időhöz, mint egy attoszekundum a másodperchez.

A lézeres kutatóközpont "agya" – konferenciaterem és könyvtár kap helyet a különleges alakú objektumban Forrás: ELI-ALPS

Lézerek a svédasztalról

Az ELI-ALPS különféle lézerek valóságos svédasztalát tárják az érdeklődő kutatók elé, amelyek más és más célra használhatók attól függően, hogy mekkora a hullámhosszuk, milyen rövid időtartamú impulzusokat adnak, ezek milyen sűrűn követik egymást és mekkora energiát tartalmaznak.

A rendszer gerincét négy lézerberendezés (elsődleges forrás) adja, amelyek fényimpulzusai másodlagos forrásokat hajtanak meg – így például a femtoszekundumos (10^-15 s) távoli ultraibolya impulzusokból egy ügyes gerjesztési módszerrel attoszekundumos, vagyis ezredakkora hosszúságú röntgenimpulzusokat tudnak készíteni. Ráadásul az egy elsődleges forrásból származó különféle típusú impulzusok egymással szinkronban vannak, így lehet párban is használni őket: az egyikükkel például elindítani egy reakciót, a másikkal pedig mérni egy köztes reakciótermék tulajdonságait.

Forrás: ELI-ALPS

De hogy ne a légüres térbe beszéljünk, álljon itt egy kísérlettípus, amelynek végrehajtására nagyszerűen alkalmas lesz az ELI-ALPS. Képzeletbeli kutatóink egy molekula szerkezetváltozásait szeretnék vizsgálni, miután kap némi energiát. Gondoljunk csak a fotoszintézisre. Az egész folyamat ott is pontosan így indul: a zöld színtestekben jelen levő klorofill elnyel egy fotont (vagyis fényenergiát), és valami megváltozik benne, és átadja az energiát egy másik molekulának. Hogy pontosan mi és hogyan változik meg ilyenkor egy molekulában, azt lehet nagyszerűen mérni ilyesfajta lézerekkel.

A méréshez először elegendő mennyiségben elő kell állítani a vizsgálandó molekulát, majd felépíteni egy adagolót, amely gáz- vagy folyadékáram formájában folyamatosan a lézersugár útjába viszi a molekula újabb és újabb példányait. Mikor végre elindul a kísérlet, az egyik lézer szolgáltatja a molekula aktiválásához szükséges fényimpulzust, a másik pedig – ezért kell a szinkron – rögvest megméri, mi is történt a molekulával. Ahhoz, hogy a folyamatról pontos képet kapjanak a kutatók, több millió ilyen egyedi mérést kell végezni – ezt teszi lehetővé az igen gyors ismétlési frekvencia, vagyis másodpercenként több ezer újabb molekulagerjesztés és mérés történhet. Ráadásul ahhoz, hogy ki tudják értékelni, egyáltalán milyen folyamat mehetett végbe a gerjesztés hatására, a kutatóknak eleve rendelkezniük kell egy modellel arról, hogyan viselkedhet a vizsgált molekula. A rengeteg adat feldolgozásához és a modellszimulációkhoz pedig komoly számítógépes háttérre van szükség: ehhez áll rendelkezésre az ELI nagyteljesítményű számítógépközpontja, a HPC.

Kísérletek kerestetnek

Az ELI-ALPS lényegében egy szolgáltatóközpont, amelyben összesen tíz kísérleti kamra várja az „albérlőit”: azokat a kísérleteket, amelyek pályázati úton elnyerték a lehetőséget, hogy használhassák a lézereket, vagyis, ahogy az ELI-ben fogalmaznak, „nyalábidőt kapjanak”. Persze ne gondoljuk, hogy az ELI dolgozói egyszerűen a kiszolgálószemélyzet szerepét töltik be: az intézményi „törzsgárda” tagjai maguk is kutatásokat végeznek azokkal a berendezésekkel, melyeket egyébként elérhetővé tesznek a vendégkutatók számára.

A kutatók alapjában véve háromféle módon vehetik igénybe az ELI-ALPS szolgáltatásait:

• Bemutatják kutatási programjukat az ELI szakembereinek, és ennek alapján közösen megterveznek egy kísérleti berendezést, melyet az ELI épít meg, azonban a végén, főként a beüzemelésnél a kutatók is csatlakoznak. Ezek a berendezések az ELI és más kutatók számára is hasznot hajthatnak, hiszen a kutatási program végén az intézetben maradnak, és további kísérletezésre is felhasználhatók. Így például, ha egy kutatócsoportnak a korábbi példában bemutatott kísérletekhez egy speciális gázadagolóra van szükség, az később más molekulák reakcióinak vizsgálatát is szolgálhatja.
• Lesznek olyan kutatócsoportok is, amelyek egyszerűen elhozzák saját berendezéseiket, és a kísérleti kamrában némi igazítás után rácsatlakoztatják a lézernyaláb végére.
• Végül, ha már egy ideje folynak a kísérletek, az ELI-ALPS kutatói a már jól működő berendezésekkel vállalhatják beküldött minták vizsgálatát a megadott mérési protokoll szerint. Más hasonló „szolgáltató” intézményeknél, például részecskegyorsítóknál ez bevett eljárás.

Mindehhez komoly szakmai háttérre van szükség az ELI-n belül. Hét tudományos osztály között osztották fel a feladatokat: kettő-kettő a mérnöki és a felhasználói oldalt képviseli, a többi három pedig az elsődleges lézerekkel, az attoszekundumos és a részecskeforrásokkal foglalkozik. A munka pedig abból a szempontból is jövedelmező, hogy az itteni kísérletek eredményei nyomán született cikkekben az ELI kutatói társszerzőként szerepelnek majd.

Osvay Károly Fotó: mta.hu/Gilicze Bálint

Zavar az erőben

Mindezek ellenére – ahogy Osvay Károly fogalmaz – „a magyar tudományos közösség hozzáállása az ELI-hez ambivalensnek mondható”. Sokan a kezdetektől érdeklődnek a lehetőségek iránt, ugyanakkor vannak, akik nem igazán vesznek tudomást a Szegeden növekvő gigaprojektről, sőt, egyesek kifejezetten ellenségesen viszonyulnak hozzá. A helyzetet kicsit jobban megvilágítja, ha eláruljuk, hogy az ELI jókora kakukktojás a magyarországi kutatóhelyek között, hiszen a kutatók fizetése nagyjából eléri a nyugati állami kutatóintézetek színvonalát. Első hallásra ez örvendetes, azonban ha egy kicsit jobban belegondolunk, megérthetjük a fanyalgók érveit is:

• A hazai mércével mérve magas fizetések és a közeli helyszín komoly belső agyelszívást jelenthetnek az állami fenntartású kutatóhelyektől.
• Az ELI-ALPS 85%-ban európai uniós, 15%-ban magyar forrásból épült, így már a létrehozása is versenyhelyzetet teremtett a forrásokért.
• Az itt zajló kísérletek zömében szintén hazai és uniós pályázati pénzekből valósulnak meg, ami ismét konkurenciát jelent a magyar kutatóhelyeknek.

Agyelszívás ide, pályázati versengés oda, azért az előnyök is számottevőek, hiszen az ölünkbe hullott egy világszínvonalú lézeres kutatóközpont, melyet a közelben dolgozó magyar kutatók kihasználhatnak – itt biztosan érvényesül a hazai pálya előnye.

Annak érdekében pedig, hogy az új intézmény lehetőségeire épülő ígéretes kutatási projektek megszülessenek, az ELI idén november 10-11. között negyedik alkalommal szervez nemzetközi, ún. felhasználói workshopot különféle tudományterületek kutatói számára. Kifejezetten a hazai tudományos és ipari közönség számára már 5-6 alkalommal rendeztek információs napokat. Emellett egy korábbi TÁMOP pályázatokon elnyert pénzből az ELI körül megalakult LAOK, majd STEPP klasztereken keresztül olyan képzési csomagokat állítottak össze, amelyek megkönnyítik más kutatók bekapcsolódását az ELI-ALPS munkájába.

Fizikusok arcképei fogadják a látogatót Fotó: mta.hu/Gilicze Bálint

Lézer mellett nem rossz lakni

Borítékolható volt, hogy a legintenzívebb érdeklődés Szegeden mutatkozik – és valóban, az Szegedi Tudományegyetem Fizikai Intézetéből számos kutató igazolt át az ELI-hez, de vegyészek, biológusok, informatikusok és radiológusok is érkeztek a helyi egyetemi szférából. Hogy csak egy példát említsünk: Osvay Károly neve is ebből az egyetemi világból lehetett ismert a TeWaTi kutatócsoport vezetőjeként, ahol femtoszekundumos lézerekkel is dolgozott.

Az ELI-ALPS fontos partnere lehet az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biofizikai Intézetének, hiszen, amint a fenti példákból is látható, a rendszer tökéletesen alkalmas biológiailag fontos molekulák működésének vizsgálatára. A debreceni MTA Atommagkutató Intézet is érdeklődik a lézeres kísérletek iránt, azonban az atommagok vizsgálata egész más technikát igényel. Itt lép be az ELI világának két másik szereplője.

Egy kis ELI-történet

A nagy európai lézeres kutatóközpont ötlete már több mint tíz éve felmerült, és kezdetben a tervezők optimistán úgy gondolták, hogy egyetlen gigantikus létesítményben képesek lesznek összefogni mindent, amire csak vágynak mindazok, akiknek kutatásaikhoz lézerekre van szüksége. A szép gondolat azonban sajnos csak nem akart testet ölteni, mivel egyetlen ország sem volt hajlandó kellő állami garanciát adni az építkezéshez és az üzemeltetéshez.

Így hát három részre bontották a projektet, és megvalósításukhoz kelet-európai helyszíneket választottak – itt ugyan nem áll rendelkezésre akkora tapasztalat az ilyesfajta intézményfejlesztésekkel kapcsolatban, azonban (talán épp a kelet-európai kutatás felzárkóztatását szem előtt tartva) itt sikerült megszerezni a kellő kormánygaranciákat. A három testvér így osztozik meg a feladatokon:

• A Szegeden felépült ELI-ALPS legnagyobb erősségét az őrületesen rövid, attoszekundumos lézerimpulzusok adják, melyekkel molekulák elektronszerkezetének gyors változásait lehet vizsgálni – ha minden jól megy, 2017 elejétől.
• A Bukarest közelében épülő ELI-NP az elektromágneses spektrum „keményebb” régiójában jeleskedik: nagy intenzitású lézer- és gammasugárzó rendszert tartalmaz, melyek együttesével úttörő magfizikai vizsgálatok végezhetők majd, a tervek szerint 2018-tól. E létesítmény munkájába kapcsolódnak be az ATOMKI kutatói.
• Végül, a Prága tőszomszédságában épülő ELI-BL legkiemelkedőbb alkalmazási területe a lézeres részecskegyorsítás, mely egyrészt elméleti fizikai kérdések megoldásában segíthet, azonban éppúgy rendelkezik orvosi alkalmazásokkal. A csehországi létesítmény szintén 2018-tól áll majd a kutatók rendelkezésére.