Részecskegyorsító az asztalon

Először a lézerről talán annyit, hogy nagyon sok fajtája van - siet a professzor az első kérdésen tűnűdő riporter segítségére -. Különböznek például abban, milyen színű fényt bocsátanak ki. Ez attól függ, mi az, ami benne világít. Van olyan lézer is, mely nem látható fényt bocsát ki, például ultraibolya, infravörös vagy röntgensugárzást. De van olyan is, amely már majdnem a rádióhullámok tartományában működik. Azután vannak olyan lézerek, melyek folyamatosan világítanak, és vannak olyanok, amelyek csak nagyon rövid impulzusokat bocsátanak ki. Teljesítményük is különböző. Van néhány milliwattos, mint amilyen a CD-lejátszókban vagy az áruházi vonalkód-leolvasókban található. De vannak nagyon nagy teljesítményűek is. A tanszéken épülő lézer csúcsteljesítménye igen rövid időre ötszázszor nagyobb, mint a paksi atomerőmű elektromos teljesítménye. Végül a lézerek különböznek egymástól a költségekben is. A CD-lejátszókban lévő lézerek ára egy cent körül van, a nagyobb lézerrendszerek viszont sok millióba kerülnek. De az Egyesült Államokban van több milliárd dolláros lézerprojekt is, melynek költsége eléri az Apolló-programét.

Ez az a lézerrendszer, melyet a termonukleáris fúzió beindításához építenek?

Ezt a rendszert úgy hívják, hogy National Ignition Facility. Nevezzük nemzeti gyutacsnak. Gyutacs abban az értelemben, hogy ez hivatott beindítani a termonukleáris fúziót. Látványosak a méretei is: 192 lézernyaláb működik majd egy futballpálya alapterületű tízemeletes épületben. A derék vastagságú nyalábok nagyon rövid időre megvilágítanak majd egy céltárgyat, mely hidrogénizotópok keveréke. Ha a céltárgyat sok irányból, egyidejűleg, nagyon rövid ideig nagy teljesítményű impulzusokkal megvilágítják, és ha az izotópok "tudni fogják a fizikát", akkor a hőmérséklet és a nyomás olyan elképesztően magasra emelkedik, hogy beindul a termonukleáris fúzió, vagyis egyesülnek a hidrogénizotópok, és az egyesülés során hatalmas energia szabadul fel. Ez az a folyamat, melyből a nap hő- és sugárzási energiája ered, de ugyanebből a folyamatból származik a hidrogénbomba pusztító ereje is. De még az egész projekt bizonytalan. Egyáltalán nem biztos, hogy működni fog. Viszont ha véletlenül működne, az emberiséget megajándékozná egy lényegében majdnem korlátlan és majdnem abszolút tiszta energiaforrás lehetőségével.

A tanszéken épülő lézerrel milyen kísérleteket végeznek majd?

Alapvetően fizikai alapkutatásokat. Mondok egy példát, ami esetleg érdekes lehet. Minden valószínűség szerint részt veszünk egy nemzetközi projektben, melynek az a célja, hogy lézernyalábok segítségével részecskegyorsítót hozzunk létre. A töltött részecskék ugyanis a lézer elektromos terében felgyorsíthatók. Nem kellene horribilis költségekkel hatalmas berendezéseket építeni; szinte elférne egy asztalon. Mi elsősorban azzal foglalkoznánk, milyen speciális tér és időbeli struktúrájú lézernyalábokat kellene létrehozni ahhoz, hogy ezek a gyorsítók jól működjenek.

Az egyik szakterülete a gyorsfényképezés.

Ha az embernek van egy fényképezőgépe és vakuja, ki lehet merevíteni azt a pillanatot, amikor például a futók beérkeznek a célba. A képen mindenki élesen látszik, egy kicsit esetleg bemozdulnak a kezek és a lábak. A villanólámpa segítségével olyan gyors folyamatokat lehet tanulmányozni, mint amilyen rövid maga a felvillanás. Világos, hogy annál gyorsabb folyamatokat tudunk nyomon követni, minél rövidebbek ezek a felvillanások. A villanólámpa azonban néhány milliomod másodpercnél rövidebb időre nem állítható be. A lézerek impulzusa viszont ennél még egy milliószor gyorsabbá is tehető. Ezek a pikoszekundumok.

Érzékletessé tenné a lézerfizikában használatos rejtélyes mértékegységeket?

A fény egy másodperc alatt hét és félszer kerüli meg a földet. Egy nanoszekundum, vagyis egy ezredmásodperc ezredrészének ezredrésze alatt 30 centimétert tesz meg, egy pikoszekundum alatt 0,3 millimétert, és mondjuk 10 femtoszekundum alatt 3 mikront. Mint az előbb említettem, pikoszekundumnak az egymilliomod másodperc egymilliomod részét nevezzük. Ennek ezredrészét pedig femtoszekundumnak. A femtoszekundum elképzeléséhez mondok más példát is: egy femtoszekundum úgy aránylik a 20 másodperchez, mint a 20 másodperc a világegyetem teljes eddigi létének időtartamához. Jelenleg a lézerfizika tíz femtoszekundumus impulzusokat tud előállítani és velük méréseket végezni.

Miért fontos, hogy egy pikoszekundum alatt lejátszódó folyamatokat tudjunk nyomon követni? Mert a fizikai, kémiai, biológiai folyamatok nagyon nagy része ebben az időtartományban játszódik le. (Vannak persze egy femtoszekundumnál gyorsabb nukleáris folyamatok is.) Ha ezeket tanulmányozni akarjuk, akkor ilyen gyorsan kell tudni fényképezni. Ez lehet tényleges fényképezés is, de inkább azt mondanám, ilyen rövid idő alatt kell tudni különböző fizikai paramétereket mérni. A nagyon gyors adatátviteli rendszerekben is lassanként már a pikoszekundumos impulzustartományban kell dolgozni. Ezért nyomon kell tudni követni, mikor mi történik egy elektronikus hálózatban. Ennek gyakorlatilag a legbiztosabb módját kínálják a lézeren alapuló optikai eljárások, melyekkel látni lehet, hogy egy bonyolult kapcsolásban egy impulzus éppen honnan hova és milyen sebességgel terjed.

A tanszéken található gyorsfényképező berendezéssel alapvetően a nanoszekundumos tartományban végzünk méréseket. Egy bizonyos típusú szemműtétnél egy úgynevezett excimerlézer segítségével megvilágítják a szaruhártyát, hogy megváltoztassák görbületi sugarát. Mivel a lézerimpulzus egy kicsit megpöccinti, megüti a szaruhártya felületét, egy hullám indul el. Azt mértük, milyen sebességgel és hová megy ez az impulzus a szemben.

Pikoszekundumos tartományban is tudnak fényképezni?

Azt is vizsgáltuk például, hogy a pikoszekundumos impulzusok milyen mikrorobbanásokat keltenek a szem szaruhártyájában. Klinikai szempontból az volt a kérdés, hogy a keletkező hullám normális vagy abnormális hullám. Abnormális hullámon olyan lökéshullámot kell érteni, mely sokkal nagyobb sebességgel terjed, mint a normális hullám. Amikor tíz évvel ezelőtt tanulmányozni kezdtük ezeket a lökéshullámokat, teljesen értelmetlen kísérletnek tűnhetett, de valójában egy nagyon érdekes új műtéti technológiai fejlődött ki belőle.

Ez az Intralase nevű cég eljárása, mely bizonyos szemműtéteknél lézeres technikával helyettesítette a sebészkést?

A cégről azt kell tudni, hogy itt Szegeden végzett egy Juhász Tibor nevezetű fizikus, aki később kikerült Amerikába. 1994-ben kimentem hozzá a US-Hungarian Joint Fund támogatásával. Elvégeztünk néhány alapkísérletet, melyekből kiderült, amit már sejteni lehetett, hogy nagyon rövid lézerimpulzusok segítségével az emberi szaruhártyát vágni, faragni lehet. Juhász Tibor végül alapított egy céget, hogy egy új típusú látáskorrekciós technikát fejlesszen ki. Mára 150 olyan lézerberendezést adtak el és helyeztek el orvosi rendelőkben, amelyekkel sorozatban műtéteket végeznek. Idén több mint 150 ezret.

Önt nem kísértette meg soha az üzleti élet?

Nem. Azt is mondhatnám, hogy sajnos nem. Pontosabban szólva, amikor a pályámat kezdtem, ez nem volt divat. Egyetemi kutatócsoportban dolgoztam, és az egyetemen az embernek az a feladata, hogy alapkutatást végezzen, új tudományos ismereteket szerezzen. Most már foglalkoztat egy kicsit a kérdés, különösen mióta új világ van Magyarországon, de életcéljaim fókuszában nem a meggazdagodás áll.

Visszatérve ezekre a pikoszekundumos impulzusokra, hogyan lehet ilyen rövid felvillanásokat előállítani?

A lézer rezonátorát mondjuk úgy lehet elgondolni, hogy van két tükör, melyek között ide-oda halad a fény, és az aktív anyagon való minden egyes áthaladás során megerősödik. Megfelelő körülmények között a rezonátoron belül egy viszonylag rövid impulzus is keletkezhet. Alkalmas eljárásokkal azt is el lehet érni, hogy a rezonátorban való minden egyes áthaladás során ne csak erősödjék, de meg is rövidüljön az impulzus. Mivel az impulzus a rezonátorban több ezerszer is áthaladhat, végül extrém röviddé válhat. Ez a piko- és femtoszekundumos impulzusok előállításának egyik módja. De van más is.

És mi az a rejtélyes impulzusösszenyomó tükör?

Nem rejtélyes, hanem zseniális. Magyar találmány, Szipőcs Róbert és Krausz Ferenc találmánya. A lényege az, hogy a nagyon sok vékony rétegből álló tükörre eső lézerimpulzus különböző rétegmélységből verődik vissza, de úgy, hogy a visszatérő impulzus rövidebbé válik, mint a beeső volt, feltéve, ha a tükröt olyan okos emberek tervezik, mint a két feltaláló. Szipőcs Róbert jelenleg Budapesten, a KFKI-ban dolgozik, Krausz Ferenc pedig Münchenben. Egy hatalmas kutatóintézet igazgatója. Érdemes mindkettőjük nevét megjegyezni.

Az egyik szakterülete a femtoszekundumos optika. Ilyen rövid fényimpulzusok alatt a lencsékben nem úgy működnek a dolgok, mint a folyamatos fénynél?

Az optikának itt néhány furcsasága előkerült. Az ilyen nagyon rövid impulzusok nem úgy viselkednek az optikai rendszerekben, mint a hosszabbak vagy a folyamatos fény. Ennek tanulmányozása nagyon fontos dolog, mert a mérések során ezeket az impulzusokat terelgetni kell, le kell fókuszálni és így tovább. Azt vizsgáltuk, milyen eltérések vannak, és eközben nagyon szép univerzális összefüggéseket találtunk. Ezektől nyilván nem jön tűzbe az Index olvasója, de a fizikát szerető hozzáértők igen. De ez így van rendjén.

Olvasóinkat viszont biztosan érdekli, milyen elméleti kérdések foglalkoztatják a lézerfizikusokat.

A fizikusoknak van egy érdekes tulajdonságuk, hogy általában rekordok elérésére törekszenek. Erről leszoktatni szerencsére nem lehet őket. A rekordok hajhászása öncélú szamárságnak is tűnhet, de valójában előre viszi a tudományt. Nagyon fontos, hogy az ember elő tudja állítani például a legrövidebb impulzust, a legnagyobb teljesítményű impulzust, a legrövidebb hullámhosszat.

Lézer segítségével például le lehet hűteni gázokat. Ezt nem egyszerű megmagyarázni, de olyasmit kell elképzelni, hogy a fénynek van nyomása. Ha gázokat lehűtünk, a gáz molekulái már viszonylag lassan mozognak: És a lézerfény nyomásával még jobban le lehet lassítani őket. Ha pedig bizonyos atomokat nagyon alacsony hőmérsékletre hűtünk, elő lehet állítani egy berendezést, amit úgy hívnak, hogy atomóra. Az atomóra normál emberi ésszel szinte elképzelhetetlenül pontos. Az Egyesült Államokban jelenleg van egy, melyet ha Krisztus születésekor elindítottak volna, a valódi időtől való eltérése még ma sem érné el az egy ezredmásodpercet. Méréstechnika szempontjából nagyon fontos, hogy legyen ilyen óránk, de gyakorlati haszna is van. Például ilyen atomórákat használnak a GPS-berendezésekben, melyek segítségével pár méter, sőt néhány centiméter pontossággal megmondható, hogy valaki a Föld mely pontján van. És az atomórák pontosságától függ a helymeghatározás pontossága.

A szuperlátáskutatás a szaruhártyasebészet természetes folytatásaként jött?

Lényegében igen. A szuperlátás szó minden újságíróból kérdéseket vált ki, mert a rekordok elérése nemcsak a fizikust, de az olvasókat is lázba hozza. Miről is van szó? Az ember szemének van egy veleszületett feloldóképessége. Ez megmutatja, milyen részletdúsan láthatunk. A feloldóképesség növelésének útjában szerencsére nem a recehártya fényreceptorainak a sűrűsége áll, hanem a szem apró optikai hibái. Ez azért szerencse, mert a receptorsűrűséget változtatni nem lehet, az apró optikai hibákat viszont elvileg lézerrel korrigálni lehet. Ha az optikai hibákat egyszer teljes egészében ki tudjuk javítani, a képek részletdússágát hatszorosára lehetne növelni. Ezt neveznénk szuperlátásnak.

Van néhány foglalkozás, ahol az átlagosnál sokkal jobb látás kívánatos lenne. Például a pilótáknál. Tömeges igény azonban biztosan nem lenne rá. A lényeg az, hogy kifejlesszünk egy technológiát, amelynek segítségével a szemen lévő optikai hibákat nullára lehetne csökkenteni. Ezt a technológiát ugyanis akkor is lehetne használni, ha valakinek nagyon bonyolult, úgynevezett irreguláris látási hibája van, melyet nem lehet lencsével kompenzálni.