A négyéves projektből még az első év sem telt el, de értesülésünk szerint már kézzelfogható eredmények is vannak. Konkrétan mik azok?

– Az elnyert pályázat célja, hogy a futamidő végére olyan eszközt fejlesszünk, amely képes azon atomi és molekuláris folyamatok vizsgálatára is, melyek csak fotonok és elektronok együttes hatásával válthatók ki. A vizsgálatokhoz szükséges ultrarövid elektronimpulzusokat terahertzes (THz-es) sugárzás segítségével állítják majd elő. Ehhez elsődleges feladat olyan THz-es sugárforrás gyakorlati megvalósítása, mely paramétereiben igazodik a célhoz. Sikeresen túl vagyunk a prototípus sugárforrás legyártásán, és az első demonstrációs kísérleteken.

Milyen kulcsparaméterekkel kell rendelkeznie egy ilyen terahertzes sugárforrásnak?

– Egyrészt a sugárzás hullámhosszának igazodnia kell a részecske­csomagok térbeli méretéhez, ami azt jelenti, hogy annak a néhányszor száz mikrométeres tartományba kell esnie. Ez pedig az 1 THz-nél kisebb frekvenciájú THz-es tartományt jelenti. Másrészről fontos, hogy az elektromos térerősség csúcsértéke legalább néhányszor 10 MV/cm értékű legyen. Ehhez a direktben előállít­ható THz-es nyaláb fókuszálása szükséges, aminek elengedhetetlen követelménye a szimmetrikus, nyalábkeresztmetszet mentén tekintve jó koherenciájú nyaláb.

Mi a terahertzes sugárforrás alapkoncepciója?

– A Pécsi Tudományegyetem az elmúlt másfél évtizedben nemzetközi­leg élenjáró szerepet töltött be a THz-es tudományban az itt kifejlesztett ún. döntött impulzusfrontú módszer kidolgozásának és an­nak folyamatos fejlesztésének köszönhetően. A hagyományos (optikai rácsból, leképező optikából és ékes nemlineáris kristályból álló) gerjesztési sémát azonban jelen alkalmazások igényei szemszögéből alaposan át kellett gondolni. Több állomáson keresztül jutottunk el egy olyan megoldásig, mely elsőként teszi lehetővé, hogy a kiváló nemlineáris optikai tulajdonságú lítium-niobát (LN)THz generátor kristályt plánparalel formában használjuk, így téve eleget az alkalmazás kívánalmainak. Kiviteli alakját tekintve a kristály lépcsős rács kialakítású bemenettel van ellátva (1. ábra), melynek mélységének és magasságának nagyságrendje a néhányszor tíz–száz mikrométeres tartományba esik. E kompakt, energiában skálázható THz-es sugárforrás keresztmetszetében homogén, torzulásoktól mentes nyalábot eredményez.

1. ábra. Az optikai rácsot, leképező optikát és plánparalel lépcsős rácsot tartalmazó terahertzes sugárforrás.

Szükség volt-e külső együttműködésre, míg eljutottak a tesztfázisig?

– A lítium-niobát kristály előállításával a Wigner Fizikai Kutató­intézetet bíztuk meg, ugyanis az alkalmazáshoz előnyös, mag­né­ziumadalékolású lítium-niobát kristályt ott tudnak jó minőségben és megfelelő méretben előállítani. A lépcsőfokok optikai minőségű kialakítása körültekintést igénylő feladat. Az ultraprecíz gyémántmaróval való megmunkálással a KUGLER GmbH céget bíztuk meg ipari partnerként. A megmunkált mintadarab a 2. ábrán látható.

2. ábra. A plánparalel LN kristályon kialakított lépcsős rács prototípusának mikroszkópos képe (a). Egyetlen lépcső és annak profilja (b).

Mennyire biztatóak az első eredmények?

– Az impulzusalakot tekintve az elméletileg jósolttal szinte tökéletesen megegyező, gyakorlatilag egyciklusú THz-es impulzusokat sikerült detektálnunk (3. ábra). Elvi szempontból is kihívás a THz-es impulzusok jó fókuszálhatóságának körbejárása. Szimulációk szerint közel 1-es numerikus apertúrájú fókuszálással 50 MV/cm-es csúcs elektromos térerősségű egyciklusú, THz-es impulzusokat kaphatunk.

3. ábra. Mért és szimulációk során kapott terahertzes impulzusalakok és a hozzájuk tartozó spektrumok.

Iparjogvédelmi szempontból mennyire jelentősek az eredményeik?

– A fent bemutatott sugárforrásra mint összeállításra és annak működési elvére mint keltési módszerre vonatkozóan szabadalmi eljárás lefolytatását kezdeményeztük. A fejlesztési folyamat korábbi fázisában, jelen sugárforrás elődje kapcsán elindított amerikai egyesült államokbeli szabadalom mára már oltalommal bír. Jelenleg tervezzük egy, a fent bemutatott módszer továbbfejlesztett változatára vonatkozó szabadalom benyújtását. Mindezt azért is látjuk indokoltnak, mert a gyakorlati hasznosulás közelinek látszik.

Mikorra várhatók a szegedi szuperlézer (ELI) laboratóriumában tervezett tesztmérések?

– A gyors haladásnak köszönhetően a tervezettekhez képest ko­rábbra, 2019 végére szeretnénk előrehozni a méréseket. Ez ügyben már egyeztetéseket folytatunk az ELI-vel. Egyrészt az ELI NLTSF (nemlineáris THz-es spektrométer) berendezésével ka­rak­­teri­zá­ciós mé­réseket tervezünk a későbbi fázisban megvalósítandó di­elektri­kus gyorsító struktúra kapcsán szóba jöhető szerkezeti anyagokon. Másrészt az ELI nagy energiájú THz-es pum­páló­nya­lábjá­val különböző alakú lítium-niobát kristályokat kívánunk vizsgálni. Az MTA Atommagkutató Intézetének (ATOMKI) kutatási programja a szegedi ELI-ALPS ultrarövid nyalábjainak egyedülálló időfelbontását (attoszekundum) kívánja hasznosítani 2020-ban. A kí­sérletekkel az atomok és molekulák fotoionizációs és gerjesztési folyamatainak dinamikáját fogják vizsgálni.

Milyen feladatokat valósított meg az ATOMKI?

– Az elmúlt fél évben az általuk kifejlesztett, egyedi elektrosztatikus analizátorhoz kapcsolódó tervezési, gyártási és tesztelési munkáké volt a fő szerep. A kísérletek során mindig jelen levő háttér csökkentése, a jel-háttér arány növelése kulcsfontosságú abban, hogy minél rövidebb idő alatt minél pontosabb méréseket lehessen végezni. Erre több módszer kombinálásával dolgoztak ki egy hatékony megoldást. Saját monokromatikus VUV forrásuk segítségével igazolták, hogy képesek a teljes térszögtartományt lefedő kísérleteket végezni. A módszer az ELI-ALPS-nál történő más kutatások szempontjából is perspektivikus lehet.

4. ábra. Speciális detektortartó 3D rajza.

A beszerzés alatt álló, nagy szögfelbontással rendelkező, az ultrarövid nyalábok jobb ki­használásához szükséges gyors, helyzetérzékeny detektorhoz megtervez­ték és el­készítették a 4. ábrán is látható, az analizátor többi részétől elektromosan elszigetelt, ultranagy vákuum környezetben forgatható speciális detektortartót. Jelenleg ennek tesztelését végzik.•