Lendületes eredmények a szupravezetők mikrohullámú tulajdonságai és a tumorellenes lázterápia területén

A szupravezető anyagok kutatása a modern anyagtudomány élvonalába tartozik: ezeket az anyagokat széleskörűen használják energiatovábbításra, -átalakításra (transzformátorokban) és nagy mágneses terek létrehozására mágneses rezonanciás képalkotás során. Kevésbé ismert, hogy a szupravezető anyagok kulcsszerepet játszanak pl. a mágneses tér és az elektromágneses sugárzás érzékeny mérésében, amelyek alapvető fontosságúak az űrkutatástól az anyagkutatáson át a haditechnikáig.

A PROSPIN kutatói a MgB₂ és K₃C₆₀ szupravezetők mikrohullámú elnyelését vizsgálták mágneses térben. A közvélekedés szerint a szupravezetők – hasonlóan a veszteségmentes áramtovábbításhoz – nem nyelnek el mikrohullámú teljesítményt. Azonban a kutatócsoport vizsgálataiból kiderült, hogy a szupravezetőkből készített finomra őrölt porminták jelentős mikrohullámú teljesítményt képesek elnyelni, amelynek nagyságát a mágneses térrel finoman lehet szabályozni.

Mikrohullámú veszteség a tömbi és finom por K₃C₆₀ szupravezetőben. Nyíl jelzi a kritikus átalakulási hőmérsékletet. Vegyük észre, hogy az 1 Tesla mágneses tér jóval kisebb, mint a kritikus tér értéke, 40 T, mégis jelentős mikrohullámú abszorpciót hoz létre a finompor-mintában. Forrás: MTA-BME „PROSPIN” Lendület Spintronikai Kutatócsoport

A szupravezetők elektromágneses tulajdonságainak ismert elméletét erre a konkrét esetre megvizsgálva azt találták, hogy az teljeskörűen számot ad a jelenségről. ,,Olyan volt ez, mint a Hamupipőke cipőjéhez a lábat megkeresni: bíztunk benne, hogy a kísérleteinkre van az ismert elméletek keretén belül odaillő magyarázat. Mégis nagy megelégedéssel töltött el, amikor ezt a magyarázatot megtaláltuk” – mondta el Simon Ferenc, a kutatócsoport vezetője. A szupravezetők egy típusában az anyagba behatoló mágneses tér jól meghatározott vonalak, örvények (ún. vortexek) mentén csoportosul. A vortexeket rezgeti meg a mikrohullámú elektromágneses sugárzás, miáltal mikrohullámú teljesítmény nyelődik el, hasonlóan, mint a vízmolekulák forgásánál a mikrohullámú sütőben.

Szupravezetők vortexállapotában a vortexmozgás által indukált veszteség sematikája Forrás: MTA-BME „PROSPIN” Lendület Spintronikai Kutatócsoport

A kutatók által megfigyelt jelenség (lásd az ábrán) nem volt tehát teljesen váratlan, azonban az, hogy az elnyelt mikrohullámú teljesítmény többszöröse is lehet annak, amit a nem szupravezető állapotban kapnak, igen meglepő volt. ,,Kiderült, hogy a megnövekedett abszorpció csak akkor figyelhető meg, ha a szupravezetőkből igen finom port készítünk, miáltal az elektromágneses sugárzás teljesen be tud hatolni a szemcsékbe” - mondta Simon Ferenc. A kutatók várakozása az, hogy az eredmény egyrészt elvezet a szupravezetők elektromágneses tulajdonságainak jobb leírásához, másfelől olyan alkalmazásokat tesz lehetővé, amikor az elektromágneses sugárzás elnyelése a kívánatos, amelynek mértékét a külső mágneses térrel pontosan lehet kontrollálni.

A kutatásban a PROSPIN kutatói (Csősz Gábor, Márkus Bence Gábor doktoranduszok és Jánossy András, az MTA rendes tagja) mellett részt vett az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont két munkatársa (Kamarás Katalin, az MTA rendes tagja és Klupp Gyöngyi), illetve a külföldi együttműködők: Nemes M. Norbert (Universidad Complutense de Madrid), Murányi Ferenc (Mettler-Toledo GmbH, Svájc), V. G. Kogan, S. L. Bud’ko és P. C. Canfeld (Ames Laboratory, USA).

A kutatócsoport egy interdiszciplináris területen is új eredményeket ért el. A láz- vagy termoterápia célja, hogy daganatos megbetegedések esetén a hagyományos kezelések kiegészítéseként a beteg sejteket tartalmazó szövet felmelegítésével elpusztítsák e sejteket. A módszer biológiai háttere, hogy a felmelegített szövetekben lévő sejtek anyagcseréje fokozódik, ezáltal a hagyományos tumorterápiás módszerek hatékonysága is javul. Bár létezik az ún. egésztest-lázterápia (amelynek hatékonysága jelenleg még vitatott), igen ígéretesnek tűnik szelektíven csak a beteg szövetek célzott felmelegítése, amit célzottan bevitt mágneses anyagokkal, ún. ferritekkel lehet elérni. A ferrit anyagokat rádiófrekvenciás elektromágneses térrel lehet hatékonyan felmelegíteni, miközben a környező – ferritet nem tartalmazó – szövetek nem károsodnak. A terület egy igen komoly és mindeddig nehezen vizsgálható nyitott kérdése az volt, hogy egy adott ferrit anyag mekkora teljesítményt is vesz fel az elektromágneses térből.

A ferrit-nanorészecskéken alapuló lázterápia sémája Forrás: MTA-BME „PROSPIN” Lendület Spintronikai Kutatócsoport

,,A hagyományos módszerek mind egy aránylag bonyolult modellezési eljáráson alapultak. Kutatócsoportunk új módszere az elnyelt teljesítmény közvetlen meghatározását teszi lehetővé azáltal, hogy a mintákat ún. rádiófrekvenciás hangolt rezonátor áramkörbe helyeztük, amelynek jósági tényezőjét határoztuk meg” – mondta el Simon Ferenc. Az eljárást rögtön ún. mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) céljára szolgáló tekercsre is megadták, ami a kutatók reményei szerint lehetőséget ad a lázterápia és az MRI-módszerek ötvözésére a meglévő műszerek egyszerű átalakítása mellett. A kutatók azt várják, hogy módszerük az élő szervezetben is alkalmazható lesz, miáltal a lázterápia során alkalmazott melegítési dózis jobban mérhetővé válik, illetve a módszerrel lehetőség lesz a szervezetbe bejuttatott ferrit anyag térbeli lokalizációjának a meghatározására is.

MRI-vizsgálatoknál is használt 3 cm átmérőjű, ún. birdcage tekercs, amely lázterápiás besugárzást is lehetővé tesz Forrás: MTA-BME „PROSPIN” Lendület Spintronikai Kutatócsoport

A kutatásban a PROSPIN Kutatócsoport tagjai (Márkus Bence Gábor, Gyüre-Garami Balázs, Sági Olivér) mellett az Országos Közegészségügyi Intézet két kutatója (Thuróczy György osztályvezető és Gresits Iván doktorandusz) vett részt.

A kutatócsoport eredményeiről a Nature Scientific Reports számolt be itt és itt.