Lendületesek: Mátyus Edit

Mátyus Edit és kutatócsoportja vizsgálataiban a relativisztikus kvantum-elektrodinamika (QED) módszereit és megközelítését alkalmazza molekuláris rendszerekre. A kutatócsoport-vezető szerint – bár az elmélet a fizikusok szerint a múlt század közepén élte fénykorát, és mára kiforrott – az atomi és molekuláris rendszerek terén még számos megoldatlan probléma tanulmányozásában tehet jó szolgálatot. „Kémikus vagyok, az atomok és a molekulák érdekelnek igazán. Azzal szembesültem, hogy bár a QED fizikai értelemben kiforrottnak gondolt elmélet, a molekuláris tartományra nem tudjuk jelenleg alkalmazni – mondja Mátyus Edit. – Eközben egyre több molekuláris kísérletben látunk relativisztikus »effektusokat«. Jelenleg az atomokkal és molekulákkal kapcsolatban nem relativisztikus megközelítéssel, a Schrödinger-egyenlet keretein belül tudunk megállapításokat tenni, illetve számításokat végezni, de nem tudjuk, hogyan léphetnénk túl ezen a nem relativisztikus megközelítésen.”

Mátyus Edit ttk.elte.hu

A kutató szerint a kvantumkémia tudományterülete mára hatalmas tudásanyagot halmozott fel, módszereit kísérleti és elméleti kutatócsoportok szerte a világon rutinszerűen alkalmazzák. Eddig azonban a kvantumkémikusok többsége úgy vélekedett, hogy még ha vannak is e területen relativisztikus, sőt QED-effektusok, jelentőségük általában elhanyagolható. Csakhogy egyre több kísérleti eredmény születik, amely cáfolja ezt a vélekedést, hiszen

az derül ki belőlük, hogy e hatások igenis fontos szerepet játszanak a molekulák viselkedésének megértésében.

A periódusos rendszer alsóbb soraiba tartozó elemek vegyületeinek esetében pedig mára konszenzus alakult ki azzal kapcsolatban, hogy a viselkedésük értelmezéséhez szükség van a relativisztikus hatások figyelembevételére.

Létezik-e hullámegyenlet a Schrödinger-egyenleten túl?

„Ha egy mondatban kell megfogalmaznom a Lendület-kutatócsoport által vizsgált legfontosabb kérdést, akkor az az lenne: »Létezik-e hullámegyenlet a Schrödinger-egyenleten túl?« – mondja Mátyus Edit. – Egy olyan (közelítő és szisztematikusan javítható) egyenletet keresünk, amely jól összeegyeztethető az 1950-es évek fizikájával, és eközben jól használható az atomi és molekuláris rendszerekre is, építve a kvantumkémia eszköztárára.”

A kutató már több mint másfél évtizeddel ezelőtt találkozott először ezzel a relativisztikus kvantummechanika, illetve relativisztikus kvantumkémia tárgykörébe tartozó problémával, és azóta keresi a megoldást jelentő egyenletet, ami hasonlóan robusztus, mint a Schrödinger-egyenlet, és különféle kémiai kérdések megválaszolására is lehet (közelítő) számítógépes algoritmusokat fejleszteni a megoldására. „Volt idő, amikor kezdtem azt gondolni, hogy ilyen egyenlet talán nem is létezik, de az elmúlt néhány évben bizonyítékokat találtunk arra, hogy mégis létezhet, így ma már vannak fogódzóink, amelyek mentén elindulhatunk a kutatócsoportommal – folytatja a kémikus. – A kutatásunk a relativisztikus QED-ből indul ki, de fontos szempontunk, hogy az eredményeink és a kidolgozott módszertanunk összeegyeztethetők maradjanak az alkalmazott kvantumkémiával is. Végső soron egyenleteket és számítógépes algoritmusokat fejlesztünk, amelyek a kísérletes (első lépésben spektroszkópiai) eredményekkel összevethető eredményeket fognak szolgáltatni.”

Ez lesz az eredmények validálásának alapja: ha a számítással kapott eredmény az előre meghatározott hibahatáron belül egyezik a kísérletes eredményekkel, akkor joggal feltételezhetik majd, hogy az elméleteik jól leírják a jelenség hátterében működő fizikai mechanizmusokat, és használhatók bonyolultabb kémiai rendszerek modellezésére is. A kutatócsoport célja, hogy

a számításaik ne csak egy meghatározott anyagi rendszerre legyenek érvényesek, hanem átfogó elméletet alkossanak,

amely érvényes a teljes periódusos rendszer összes elemére és vegyületeikre is. Emellett fontos szempont, hogy a kidolgozott keretrendszer könnyen komputerizálható legyen, hiszen a modern fizikai kémiai kutatások elképzelhetetlenek a számítógépeken futtatható algoritmusok nélkül. Így elvárás minden elmélettel szemben, hogy hatékonyan segítse a numerikus számításokat.

A spektroszkópiai kísérleteket, amelyeket az elméleti fejlesztések teszteléséhez használnak, nem a kutatócsoport végzi. Ezek igen speciális kísérletek, amelyek az egész világon merőben újszerűnek számítanak. „A precíziós spektroszkópia egyik legforrongóbb területe, amikor atomórákkal szinkronizálják a spektrométereket. De ma már arra is lehetőség van, hogy modern kvantumtechnológiai módszerekkel manipuláljuk a molekulák kvantumállapotát – mondja Mátyus Edit. – Itt nem anyagi sokaságra kell gondolni, hanem szó szerint egyetlen molekula egyetlen kvantumállapotára. Ezeket az állapotokat vizsgálják az atomórával szinkronizált spektrométerekkel. Vannak olyan eljárások is, amelyek olyan pontosan mérnek tömeget, hogy egy-egy elektron kötési energiáját is ki tudják mutatni. Ezek a kísérletek nem annyira drágák, mint a CERN berendezései, de a világon csak néhány helyen tudják őket megvalósítani.”

„Ilyet még senki sem tudott csinálni”

Hiába lehetséges ma már ilyen nagy pontosságú kísérleteket végezni, ha nem tudjuk az eredményeiket elméletekkel alátámasztani. A kutatócsoport-vezető elmondása szerint nagyon kevés kutatócsoport van a világon, amely a relativisztikus kvantum-elektrodinamikát képes (valamilyen formalizmusban és valamilyen közelítésekkel) atomok és molekulák kötött állapotaira alkalmazni. A Lendület-csoport pedig még többre vállalkozik.

„A célunk, hogy a korrelált relativisztikus energiához QED-korrekciók kiszámítására fejlesszünk módszereket.

Ilyet még senki nem tudott csinálni, de mi már legalább látjuk, hogy milyen elméleti keretrendszerben lehet elindulni” – mondja Mátyus Edit. – Mindez szükséges ahhoz, hogy az említett élvonalbeli kísérleteket értelmezni lehessen. Másrészt pedig előmozdítja a molekuláris anyag alapvető elméletének fejlesztését, és megoldást jelent majd az évtizedek óta nyitott problémára: hogyan lehet szisztematikusan túllépni a kvantumkémiai alkalmazásokban a Schrödinger-alapú, nem relativisztikus hullámmechanikán? A Lendület-projekt során ezt az irányt szeretnénk kidolgozni és eljutni legalább a legegyszerűbb atomi-molekuláris alkalmazásokig, amelyekre a precíziós kísérletek jelenleg már zajlanak. A kutatás eredményeként a relativisztikus kvantum-elektrodinamikát fogjuk elérhetővé tenni a kvantumkémiai számítások számára, egyúttal pedig ennek a régi, de még kevéssé kiaknázott elméletnek az alkalmazása közben szeretnénk jobban megérteni az esetleges hibáit, hiányosságait is.”