Mivel foglalkozik a projekt?

– Az elnyert pályázat célja, hogy a három intézmény együttműködésével egymást kiegészítő kompetenciákra támaszkodva olyan eszközt fejlesszünk, mely képes azon atomi és molekuláris folyamatok vizsgálatára is, melyek csak fotonok és elektronok együttes hatásával válthatók ki. A vizsgálatokhoz szükséges ultrarövid elektronimpulzusokat terahertzes sugárzás segítségével állítják majd elő.

Hogyan kapcsolódik a kutatás a szegedi szuperlézerközponthoz, az ELI-ALPS-hoz?

– Az elektroncsomagok, az ELI-ALPS sugárforrásainak és detektorrendszerének térbeli és időbeli szinkronizációjának megoldá­sával olyan kísérleti mérőhely kialakítása valósul meg, mely a világon egyedülálló módon, teljesen új megközelítéssel ad lehetőséget az atomi folyamatok megfigyelésére. A fény-anyag kölcsönhatás minél mélyebb megismerése alapvető fontosságú mind az élettelen, mind az élettudományok szempontjából. Az ELI-ALPS fotonforrása új kaput nyit a foton-anyag kölcsönhatások tanulmányozására. A nagy intenzitású, a 4 meV–120 eV fotonenergia-tartományba eső, 10^–12–10^–18 másodperc időtartamú impulzu­sok lehetővé teszik a foton-atom, molekula, szilárd és biológiai minta kölcsönhatásának időfüggő vizsgálatát, és ez alapvetően új tudományos felismerésekhez vezethet. A jelen pályázat keretében a konzorciumi partnerek két egymást támogató, több ponton kapcsolódó kutatási program megvalósítását tűzik ki célul.

Melyek ezek konkrétan?

– Az első egy új elektrongyorsítási módszer lehetőségeinek felderítése, a másik egy alapkutatási program a fotoionizáció új, nagy teljesítményű elektronspektroszkópiai eszközökkel történő tanulmányozására. Az MTA Atommagkutató Intézete, az Atomki az ELI-ALPS intézetben előállított egyedülálló fotonnyalábok felhasználására épülő alapkutatási programot kíván megvalósítani. A kísérleti vizsgálatok célja atomokon, molekulákon és szilárd mintákon lejátszódó fotoionizációs/gerjesztési folyamatok időbeli fejlődésének megfigyelése, értelmezése. Az elsődleges ionizáció attoszekundumos, az ezt követő atomi, molekuláris átrendeződés femtoszekundumos időskálán zajlik, és az ELI-ALPS ultra­rövid impulzusai ezek vizsgálatára kiválóan alkalmasak. A foton abszorpció után a leghamarabb a céltárgyból kilépő úgynevezett fotoelektronok jelennek meg, majd ezt követik az átrendeződési folyamat során emittált Auger/autoionizációs elektronok, fotoionok és fluoreszcens fotonok. Az előzőekből következik, hogy a foton-anyag kölcsönhatás dinamikájának vizsgálatára az egyik alapvető kísérleti megoldás a mintából kilépő töltött részecskék energia-, impulzus- és intenzitáseloszlásának meghatározása. Napjainkban alacsony energiájú töltött részecskék érzékelésére sokféle detektorrendszert fejlesztettek ki, melyek pumpa-próba elrendezésben követni tudják az ionizáció/gerjesztés során létrejövő végállapot időbeli fejlődését.

Az ESA-22 elektron spektrométer sematikus keresztmetszeti rajza

Mik a kutatások előzményei, minek köszönheti konzorciumvezető szerepét a pécsi egyetem?

– A terahertzes sugárzások keltésében a Pécsi Tudományegyetem nemzetközileg élenjáró szerepet töltött be az elmúlt másfél évtizedben. Az általunk előállított impulzusok energiája, illetve az elektromos térerősség csúcsértéke megközelítette az 1 mJ, illetve a néhányszor 10 MV/cm értékeket.

A terahertzes impulzusok is szerepet kapnának a projektben?

– Igen. A hagyományos mikrohullámú elektron- és protongyorsítókban a hosszegységre eső gyorsítást az alkalmazott anyagok tulajdonságai behatárolják. Emiatt ezek a gyorsítóberendezések nagyon nagy méretűek, extrém drágák, így a hozzáférésük korlátozott. A tera­hertzes források energiája, illetve csúcs elektromos térerőssége az elmúlt években elérte azt a küszöböt, hogy hatékonyan fel lehessen használni részecskék gyorsítására. A terahertzes impulzusokkal megvalósított alternatív gyorsítók számos fontos anyagvizsgálati módszer laboratóriumi elvégezhetőségét biztosítanák.

Relativisztikus elektronok előállítása terahertzes sugárzással

Miért nélkülözhetetlen az Atomkinak, illetve az MTA Energiatudományi Kutatóközpontjának a részvétele?

– Az Atomkiban kifejlesztett egyedi, precíziós elektrosztatikus anali­zátort igazítjuk az ELI-ALPS nyalábjai körülményeihez úgy, hogy a dinamikai vizsgálatok végzése akár a teljes térszögben lehetséges legyen. A speciális mérési módszer és geometria, valamint az ultrarövid fotoncsomagok alkalmazása lehetőséget biztosít az ionizációt követő végállapotok kialakulása időbeli fejlődésének megfigyelésére, vagyis a fotoelektronok szokásos energia-, impulzus-, intenzitáseloszlásán kívül ezek időbeli változása is nyomon követhető. Az Atomki berendezése alkalmas arra is, hogy az elektron-anyag kölcsönhatás során emittált elektronokra ugyanazokat a paramétereket határozza meg, mint a fotoelektronokra.
Az EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének (MFA) Mikrotechnológiai Osztályán olyan mikro- és nanomé­retű szerkezetek és eszközök előállítása a cél, amelyekben a terahertzes tér nagy hatékonysággal képes elektroncsomagokat gyorsítani. A tervezett szilíciumalapú félvezető és szigetelő struktúrák mintázatainak mérete az alkalmazott hullámhossz nagyságrendjébe esik. Előzetes, elsősorban elméleti jellegű vizsgálataik alapján az alacsony vezetőképességű szilícium lehet a dielektrikus gyorsítóeszköz anyaga. Félvezető és dielekrikum szerkezetek e mérettartománybeli előállítására és megmunkálására hazánkban egyedül az MFA Mikrotechnológiai laborjai biztosítanak megfelelő technológiát és szakértelmet.

Mély reaktív ionmarással kialakított 3D szilícium mikrostruktúra

Helyileg hol valósul meg a laboratórium?

– A projekt során az ELI-ALPS infrastruktúrájának igénybevételével, a projekt megvalósítására szövetkező konzorciumi partnerek kompetenciáira építve megalapozódik az ELI-ALPS közel-relativisztikus és relativisztikus energiájú elektronokat alkalmazó kísérleti állomásának az alapja. Az elvégzett kutatás eredményeképpen az ELI-ALPS birtokolni fogja a laborató­riumi skálájú elektrongyorsításhoz szükséges kulcselemeket (mintakamrát, a gyorsításhoz szükséges mikromegmunkált komponenseket, a kiegészítő alrendszerek részletes terveit). Ezek a már meglévő eszközökre épülve biztosítanak pikoszekun­dumos időbeli szélességű, 1 nC nagyságrendbe eső energiájú elektroncsomagokat. A projekt végrehajtása során a szükséges anyagvizsgálati méréseket az ELI-ALPS NLTSF (nonlinear THz spectroscopy facility) rendszerének felhasználásával kívánjuk elvégezni.•