Tudományos eredmények

Ezen az oldalon Intézetünk kutatói által az elmúlt évben elért fontosabb tudományos eredményekről olvashat rövid összefoglalót.

 

Elméleti szilárdtestfizikai kutatások

Erősen korrelált rendszerek (Lendület kutatócsoport). – A világon elsőként fejlesztettük ki a sűrűségmátrixos renormálási csoport (DMRG) algoritmus és az úgynevezett Coupled Cluster algoritmus ötvözéseként a DMRG-TCCD algoritmust. Ez a forradalmian új módszer lehetővé teszi mind a statikus mind pedig a dinamikus korrelációk pontos meghatározását, és olyan nagyméretű rendszerek numerikus szimulációját, mely ezidáig nem volt lehetséges. Ezáltal napjaink legnagyobb számításait végeztük el, és módszerünk hatékonyságának köszönhetően korábban vitatott kérdések megválaszolása is lehetővé vált számunkra. Elsőként használtuk az általunk bevezetett sokrész-korreláció elméletet molekulafizikai rendszerekre. Ez lehetővé teszi, hogy kvantitatívan jellemezzük, hogy egy adott kötési kép mennyire jól írja le a rendszert. Az elmélet alkalmazásaként vizsgáltuk számos prototipikus molekula kötési szerkezetét. Megmutattuk, hogy a jól definiált sokrész-korrelációs felosztás hiánya okot szolgáltat a kötési szerkezet vitatottságának. Elsőként határoztuk meg grafén nanoszalagra az élállapotok közötti összefonódottsági struktúrát, és adtunk magyarázatot a különböző kísérletekben mért gapekre. Egy új bázisoptimalizációs eljárást dolgoztunk ki mátrix szorzat állapot kifejtésre, mely univerzálisan alkalmazható kvantumos rendszerekre.

Komplex rendszerek. – A nyitott, kvantumos Ising-lánc hirtelen változást követő nemegyensúlyi dinamikáját vizsgáltuk sztochasztikusan változó merőleges mágneses tér jelenlétében.  A modell fermion-reprezentációját használva, egy ezidáig nem dokumentált kapcsolatot mutattunk ki a modell dinamikája és a folytonos idejű kvantumos bolyongások között. Az állandó időtartamú, kétértékű zaj esetében egy hatékony rekurzív sémát dolgoztunk ki az átlagolt mennyiségek időbeli változásának közvetlen számítására. Megmutattuk, hogy ebben az esetben létezhetnek olyan gerjesztési módusok, amelyek a zaj ellenére koherensek maradnak. Vizsgálataink alapkutatás jellegűek.

A krisztallográfia fázisproblémájának hatékonyabb megoldására bevezettünk egy új módszert, az ún. térfogat-kihagyási leképezést, amely felgyorsítja és így a gyakorlatban is alkalmazhatóvá teszi a lassú konvergenciára hajlamos és önmagában kevéssé hatékony, duális térbeli, iteratív eljárásokat. A módszer potenciálisan a diffrakciós szerkezetmeghatározás számos területén nyerhet felhasználást.

Hosszú távú rend kondenzált rendszerekben. – A skyrmionok olyan nemkollineáris mágneses struktúrák, amelyeket olyan kölcsönhatások stabilizálnak, amik nem szerepelnek a standard Heisenberg modellben. Ilyen kölcsönhatások közül a legismertebb az úgynevezett Dzjalosinszkij-Moriya (DM) kölcsönhatás. Megmutattuk hogy ezen kivül az izotróp kölcsönhatásban fellépő frusztráció is vezethet skyrmion állapotokra, és ezek a skyrmionok másképp viselkednek. Ab-intio számításokkal alátámasztottuk hogy a PtIRMN ultravékony mágneses rétegekben mind a két kölcsönhatás jelen van és a skyrmionok tulajdonságait elsősorban a frusztrált Heisenberg csatolás határozza meg. Következésképpen lehetővé vált olyan skyrmion rendszerek létrehozása, ahol a skyrmionok periodikusan rendeződtek, ami nem lehetséges a DM kölcsönhatás által stabilizált skyrmionok esetében a közöttük ilyenkor fellépő taszító kölcsönhatás miatt. Megmutattuk hogy a frusztrált Heisenberg kölcsönhatás más lokalizált mágneses struktúrák kialakulására is vezet, amelyek nem henger-szimmetrikusak. Ezeket az eredményeket nemrég STM kísérletek is igazolták.

Félvezető nanoszerkezetek (Lendület kutatócsoport). – Nanoskálájú anyagokat tervezünk nagy pontosságú szimulációval, amelyek a bioszenzorikában, kvantuminformációs technológiában és napenergia hasznosításában megkívánt tulajdonságokkal rendelkeznek. Emellett szilícium-karbid alapú nanorészecskéket fejlesztünk és állítunk elő in-vivo fluoreszcences biológiai képalkotás céljából. Ebben az évben a szilícium-karbid nanorészecskék mint nanoméretű biomarkerek jellemzésében jelentős eredményként meghatároztuk, hogy a felületükre épülő egyes funkciós csoportok hogyan befolyásolják a bennük levő aktív ponthibák viselkedését. A nanorészecskékbe épült ponthibák mint nanorendszerek általános leírását jelentősen javítottuk azzal, hogy a különféle gyémánt- és SiC-ponthibákban az elektronikus folyamatok fononokkal való csatolását tanulmányoztuk. Ez szükséges ahhoz, hogy ezeknek a rendszereknek a kvantuminformatikai és biomarker-felhasználását tudományosan megalapozottabbá, kifinomultabbá tegyük. [4] A kvantumoptika területén kidolgoztunk egy eljárást a fénnyel vezérelt dinamikus optikai magspin-polarizáció teljes leírására, amely nagy jelentőségű a jövőbeli fMRI és ahhoz kapcsolódó alkalmazásokban. [1] Az oxigéntartalmú gyémántbeli ponthibák úttörő és egyben összefoglaló jellegű feldolgozását végeztük el.

Kísérleti szilárdtestfizikai kutatások

Nem-egyensúlyi ötvözetek kutatása. – A mágneses nanorészecskékből összerakott különböző nagyobb struktúrákat intenzív érdeklődés kíséri mind a nanorészecskék közti kölcsönhatások megértése, mind az új anyagok és eszközök tervezése szempontjából.

Fe/Ag granuláris multirétegek szuperparamágneses blokkolási hőmérsékletének növekedését tapasztaltuk mágneses és Mössbauer spektroszkópiai mérésekkel a Fe/Ag kettősrétegek számának növelésével. A Monte Carlo szimulációk megmutattuk, hogy a granuláris rétegek közötti mágneses dipólus kölcsönhatásokon túlmenően, ezek összjátéka a nem síkirányú mágneses anizotrópiával, döntő szerepet játszhat a tapasztalt nagymértékű változásban

A szuperparamágnesség jól ismert jelenség, mely pl. korlátozza az információtároláshoz használható mágneses klaszterek minimális térfogatát. Legtöbbször a spinek homogén rotációval fordulnak meg, melynek során a klaszterek anizotrópiája ellenében történik a forgás. Egy tankönyvből ismert másik spin-átfordulási mechanizmus a curling, amelynél a forgás során az egyes spinek nem maradnak párhuzamosak, hanem egymáshoz képest elfordulnak a kicserélődési erők ellenében. Kiszámoltuk, hogy curling esetén az energiagát nulla térben AR-rel arányos, ahol A a kicserélődési állandó és R a klaszter sugara, ellentétben a homogén rotációra érvényes KV-vel, ahol K az anizotrópia-állandó és V a klaszter térfogata. Curling-típusú spin-átfordulási mechanizmuson alapuló klaszter-üveg-modellt alkalmaztunk Fe-dús Fe100-xZrx (x = 7 to 12) fémüvegek nyomásfüggő alacsonyhőmérsékleti anomális viselkedésének magyarázatára. Bár számos kísérleti eredmény az anizotrópia-típusú modellel is magyarázható, a csoport értelmezése a kísérleti tények egyszerűbb és átfogóbb magyarázatát adja.

Szerkezetkutató laboratórium. – Három területen értünk el jelentős eredményeket:

(1) Szén  alapú anyagok vizsgálata: Kutatásunk a fullerénekre, nanocsövekre nanocső alapú hibridekre és a kétdimenziós rendszerekre összpontosult. Új módszereket vezettünk be: a szinkrotron alapú infravörös spektroszkópiát, a közelitér infravörös mikroszkópiát és a fotoindukált spektroszkópiát. Ezekkel vizsgáltuk a szén és bór alapú nanocsöveket mind tiszta mind kis molekulákkal töltött formában, a grafén alapú anyagokat és a methylamine-PbI3 perovszkitra épülő napelem-anyagokat. Ezen túl megmértük egy másik ígéretes napelem-anyag a szilicium-karbid lumineszcencia tulajdonságait.

(2) Fázisátmenetek modellezése: Egy egyszerű dinamikus sűrűségfunkcionál elmélet, az ún. atomisztikus fázismező modell keretében a heteroepitaxiát, a kétlépcsős nukleációt és a növekedési front menti nukleációt tanulmányoztuk. Megvizsgáltuk, hogy a Stranski-Krastnov növekedési módus esetén a kritikus vastagság hogyan függ a rácsállandók különbségétől. Megmutattuk, hogy nagy túlhűtések esetén a kristályos szerkezet megjelenése kétlépcsős nukleáció során, egy amorf prekurzor fázison keresztül történik. Sikeresen modelleztük az ún. növekedési front menti nukleáció jelenségét is, aminek során egy növekvő kristályos részecske peremén új, attól eltérő orientációjú kristályszemcsék keletkeznek.

(3) Röntgen technikák: Röntgen diffrakciós kísérleteket végeztünk a mintában lévő atomi röntgenforrással. A minta atomjait melyek pontszerű forrásként sugároztak, igen intenzív és erősen fókuszált szinkrotron sugárzással gerjesztettük. A diffrakciós képet, amely egy vonalrendszert alkot (Kossel vonalak), egy kétdimenziós helyzet-érzékeny detektorral vettük fel. A dinamikus diffrakció elméletének segítségével analizáltuk a vonalak finomszerkezetét és ebből meghatároztuk a szerkezeti tényezők fázisát. Ezek a kísérletek utat nyitnak a röntgen szabadelektron lézerek egyetlen impulzusa segítségével történő szerkezet meghatározáshoz.

Rádiófrekvenciás spektroszkópia. – A rendezetlen fehérjék (IDP-k) esetén a víz-fehérje kölcsönhatások erőssége keskeny tartományban változik. és közelebb van a tömbfázisú víz-víz kölcsönhatásokhoz, mint a globuláris fehérjék (GP-k, pl. szarvasmarha szérum albumin, BSA) esetén. Az IDP-k „felszíne” nyitottabb a víz felé, és az érintett kötött vízmolekulák mennyisége sokkal nagyobb, mint a GP-k esetén. Széles jelű 1H NMR jelintenzitás- és differenciális pásztázó kalorimetria (DSC) mérések történtek a rendezetlen, p53 tumor elnyomó fehérje 73 aminosavnyi teljes transzaktivációs doménjén (p53 TAD). E fehérje két peptidjét is vizsgáltuk: az egyik, a vad típusú p53 TAD, hélix-előstruktúráló tulajdonságú részlete, a másik pedig mutáns peptid, mely nem képes hélix képzésére. Meghatároztuk a kölcsönható fehérje-víz kapcsolok számát. A vad típusú p53 TAD szerkezet nagyon rendezetlen a BSA-hoz képest, mely referencia GP. A rendezetlenség (kisebb mértékű strukturáltság) a következők szerint nő a vizsgált fehérjékben: BSA < vad típusú, teljes p53 TAD < vad típusú p53 TAD hélix peptid < mutáns p53 TAD peptid. A DSC mérések megmutatják a fehérje kölcsönhatásait a többi oldott anyaggal, különösen a nátrium és a klorid ionokkal. A teljes p53 TAD és a peptidek lényegesen több nagyobb mennyiségű NaCl-ot kötnek meg, mint a globuláris BSA. Mindkét módszer, széles jelű 1H-NMR és DSC, nemcsak, hogy képesek megkülönböztetni az IDP-ket a GP-ktől, hanem különbséget tesznek az IDP-k két szerkezeti állapota között, mint a hélix-előstruktúráló motívumot tartalmazó, vad típusú p53 TAD peptid és a hélixtörő mutációkat tartalmazó mutáns p53 TAD peptid között, a vízmolekulákkal és más kémiai entitásokkal, pl. só ionokkal, való kölcsönhatásuk szempontjából.

Komplex folyadékok kutatása

Részben rendezett rendszerek – A lágy anyagok különböző tulajdonságait vizsgáltuk kísérleti és numerikus módszerekkel. Röntgen-tomográfiás mérések segítségével meghatároztuk a tartályban folyó nem gömbszerű részecskékből álló szemcsés anyag sűrűségének, irány szerinti rendezettségének térbeli eloszlását.  Egy rugalmas gömbökből álló rendszerre numerikus szimulációk segítségével kiszámoltuk, hogy a rendszer meddig írható le a lineáris rugalmasság elméletével. Nematikus folyadékkristályokban elektromos térrel keltett mintázatok tulajdonságait vizsgálva megállapítottuk, hogy az egyen- és váltófeszültség szuperpozíciója jelentősen megnöveli a mintázatképződés küszöbét. Potenciálisan UV indikátorként alkalmazható, pirimidin alapú, ötgyűrűs komponenseket szintetizáltunk és karakterizáltunk. Megadtuk a ferronematikusok ac mágneses szuszceptibilitásában a dc előfeszítő mágneses tér hatására az izotróp-nematikus fázisátmenetnél létrejövő változás fenomenológikus magyarázatát.

Elektrolitikus nanoszerkezetek. – Elektrolitikus úton leválasztott nikkel kristály-szerkezetének tanulmányozásával elemeztük a leválasztáshoz használt különféle adalékanyagok hatásait. Elektrolitikus úton leválasztott kobalt vékonyrétegek mágneses tulajdonságainak elemzésén keresztül következtettünk a rétegek mágneses doménszerkezetére és a kobaltot tartalmazó multiréteges anyagok mágneses rétegeinek csatolási viszonyaira. Multiréteges nanohuzalok termoelektromos tulajdonságainak vizsgálatával igazoltuk, hogy a mágneses/nem-mágneses multiréteges szerkezetek magnetotermoelektromos teljesítmény-tényezője összemérhető a hagyományos félvezető termoelektromos anyagokéval. Elektrolitikus nikkel/réz multirétegek mélységi komponens-analízisével megmutattuk, hogy a leválasztási folyamat során a szennyezők a rézrétegben halmozódnak fel.

Folyadékszerkezet. – Neutrondiffrakcióval tanulmányoztuk argon abszorpcióját zeolitokban. A kísérleti adatokat az RMCPOW programmal - a Reverse Monte Carlo (RMC) szimulációs technika kristályos rendszerekre kidolgozott változatával – értelmezve megmutattuk, hogyan változik a zeolitok szerkezete a csatornáikban abszorbeált gáz hatására. A Ge-Sb-Se összetételű üvegek szerkezetét neutrondiffrakció, EXAFS és RMC szimuláció segítségével vizsgáltuk. A kémiai rövidtávú rendet összevetve három analóg rendszer (Ge−As−Se, Ge−As−Te, Ge−Sb−Te) rövidtávú rendjével megmutattuk, hogy As→Sb és Se→Te csere hatására a kémiai rövidtávú rend erősödik, azaz nagyobb bizonyossággal meg lehet jósolni, hogy adott atomnak milyen típusú szomszédai vannak. Diffrakciós technikákkal, RMC és ab initio molekuláris dinamikai szimulációval tanulmányoztuk a Ge2Sb2Te5 „fázisváltó” ötvözet szerkezetét a folyadék fázisban. Az elméleti modellek összhangban voltak a szerkezeti mérésekkel, a modellekből nyert viszkozitás aktivációs energia pedig jó egyezést mutatott a viszkozitásmérésekből nyert értékkel.

Elektromos gázkisülések. – Kapacitív gerjesztésű elektronegatív plazmákban megfigyeltük önszervező térbeli struktúrák kialakulását. A kísérleti eredményeket részecskealapú szimulációkkal értelmeztük. A kidolgozott elméleti modell számot adott az ionok mozgásának sajátfrekvenciája és a plazmát gerjesztő frekvencia rezonanciájának fontosságára a jelenség értelmezésében. Meghatároztuk egy felülethullám mikrohullámú kisülésen alapuló utókisülési rendszer jellemzőit, üres és kezelendő felülettel töltött utókisülési reaktor esetén, rávilágítva a rendszerparamétereknek az utókisülés összetételére gyakorolt hatására. Számítógépes szimulációk segítségével külső homogén mágnese térnek az erősen csatolt Yukawa rendszerekben megfigyelhető részecskék kvázi-lokalizációjára kifejtett hatását vizsgáltuk. A részecskék anizotróp transzportja a lokalizáció jelentős növekedését mutatja a mágneses indukció-vonalakra merőleges irányban, míg csak gyenge növekedés lép fel a mágneses tér mentén.

Neutronspektroszkópia

Nanoszerkezet kutatás neutronszórásal. – A kutatócsoport több kutatási téma és felhasználói mérés elvégzésében vett részt, amelyeknek megvalósítását a csoport által működtetett berendezések tették lehetővé: SANS – kisszögű neutronszórásvizsgáló berendezés, TOF – repülési idő spektrométer, háromtengelyű spektrométer, neutron reflektométer és PSD diffraktométer. Az out-of-plane korrelációs hossz becslése periódikus Ni(Mo)-Ti rétegrendszerekre röntgen reflektometriával történt. Kinematikus közelítést alkalmazva az out-of-plane korrelációs hosszak becsült értéke a különböző Ni és Ti kétrétegű minták vastagságára – (69 és 57 Å), (96 és 67 Å) valamint (118 és 85 Å) – 1000, 3200 és 2800 Å értékeknek adódott. A vad típusú és a vccn1-1 (Cl- csatorna) Arabidopsis mutáns levelében található tilakoidmembránok ultrastruktúrájának tanulmányozása kisszögű neutronszórás segítségével történt. Bár a mutánsok gránum tilakoidmembránja megtartotta a szabályos periodikus felépítését, de a mérések azt mutatták, hogy szorosabb pakolásúak és/vagy keskenyebb a lumenjük a vad típusúakéhoz képest. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy a tilakoidmembrán dinamikusan válaszol a membrán energizálódására és aktívan részt vesz különböző szabályozó mechanizmusokban. Egy új, több-komponensű mátrixüveg kifejlesztése valósult meg, amely alkalmas a radionuklidok stabil befogadására; ennek szerkezeti tulajdonságait neutron és röntgendiffrakciós mérések segítségével vizsgáltuk. A maximálisan adalékolható UO3 mennyiség, amit még stabilan magába tud tartani a mátrix-összetétel 40tf%-nak adódott. Kisszögű neutronszórás segítségével lineáris összefüggést mutattunk ki a Keszthely régészeti lelőhely kerámia mintáira jellemző úgynevezett Porod kitevő és a kiégetési hőmérséklet között, így meghatározhattuk a vizsgált késő római / kora középkori kerámia minták maximális kiégetési hőmérsékletét. A polisztirol membránok vizsgálata szintén kisszögű neutronszórással történt. Először a 8 monomerből álló csillagmolekula polimer-kar szegmentációs sugarának méretét (0.3nm), majd a fulleréncsillag szegmentációs girációs sugarát (1nm) határoztuk meg. A mérések azt mutatták, hogy a teljes komplex 26 szegmensből áll, ami megfelel a molekula funkcionaliásának (f~6), ha minden kar 4-5 szegmensből áll. Meghatároztuk a szegmentális hosszat, a csillagok korrelációs sugarát és a szomszédos csillagmolekulák közti átlagtávolságot. Ezen eredmények alapján funkcionalizált fullerénmolekulákat tartalmazó membránokon és filmrétegeken is hasonló kísérleteket végeztünk el. Így sikerült előállítani és jellemezni a gázszeparációs célokra is használható jó permeabilitású membránokat.

Neutronoptika. – A BrightnESS Horizon2020 projekt keretében a csoport kutatói megvalósították a Budapesti Kutatóreaktor Műszerközpont (BKR) hidegneutron moderátorának energiaszelektív neutron-képalkotáson alapuló vizsgálati rendszerét és részt vettek az ESS hasonló célú tesztnyalábjának tervezésében. A projekt keretében lezajlott az ESS-ben fejlesztett szilárd bór konverter alapú detektor széleskörű tesztelése.

Kadmiummal szennyezett ón egykristály kapcsolatos kutatások folytatásaként, ón egykristályba beágyazott kadmium szennyezők körüli lokális szerkezetét állítottuk vissza nagy pontossággal és megmutattuk, hogy ebben az esetben nem lehetséges egyedül a Friedel oszcillációkkal magyarázni a rács torzulásait, hanem be kell építeni a modellbe az eltérő atomok közötti potenciál hatását is annak érdekében, hogy a modell paramétereit illeszteni lehessen a mérési eredményekhez. Ebben a mérésben először sikerült a szennyező atom körüli háromdimenziós elmozdulásvektorok visszaállítása, aminek segítségével megmutattuk, hogy a Cd szennyező körül a fogadó rács az alacsonyabb hőmérsékleten stabil, fehér-ón szerkezetének irányába torzul.

Alkil és aril szubsztituált szilika géleket állítottunk elő és jellemeztünk kiegészítő fizikai kémiai módszerekkel. A szilika hordozókat úgy terveztük meg, hogy baráti környezetként szolgáljanak biomolekulák vagy szerves színezékanyagok (enzimek vagy porfirinek) számára.

A kutató csoport tagjai részt vesznek az Európai Spallációs Neutronforrásnál (ESS) épülő makromolekuláris repülési-idő diffraktométer (NMX) neutronoptikai rendszerének fejlesztésében. Az NMX a világon az első TOF neutron fehérje-diffraktométere lesz.

Alkalmazott és nemlineáris optika

Lézeralkalmazások és optikai méréstechnika. – Sikeresen alkalmaztunk interferometrikus módszert nagyintenzitású, ultrarövid lézer impulzussal keltett rubídium plazma dinamikájának vizsgálatára. Felépítettünk egy új kísérleti berendezést aeroszol gyógyszerkészítmények vizsgálatára és meghatároztuk az időzítési paraméter hatását a légutakba jutó permet méreteloszlására és koncentrációjára. Az MTA EK MFA-val együttműködve, kifejlesztettük a közösen szabadalmaztatott „Pinhole kamerás Optikai Anyagvizsgáló Rendszer” egy korszerűsített változatát. A fejlesztés célja a gyorsan vizsgálható minták méretének növelése volt, amit a pontszerű fényforrás fényességének jelentős növelésével, a precíz mintamozgatás sebességének és tartományának kiterjesztésével, valamint az adatfeldolgozási sebesség növelésével értünk el.

Femtoszekundumos lézerek a nemlineáris mikroszkópiában. – A kutatócsoport által 2016. szeptember elsején a Biomedical Optics Express-ben publikált tudományos közlemény megjelenése után több napig a legtöbbször letöltött cikkek listáján szerepelt, többek között az első helyen is. A cikkben egy új, Yb-szállézerrel mint impulzusüzemű fényforrással felszerelt, kézben tartható, új nemlineáris kétfoton abszorpciós fluoreszcencia (2PEF) és másodharmónikus keltéses (SHG) mikroszkópról számoltunk be. A képalkotó rendszer 5 mW-os lézeres átlagteljesítmény használatával képes 200 kHz-es mintavételi frekvenciával 2PEF és SHG képeket készíteni egérbőrben akár a bőr kollagénhálójának mélyen elhelyezkedő részeiről is. A mintát 8-12 nm sávszélességű, ~1030 nm középhullámhosszú, 0,5 ps hosszúságú lézerimpulzusok gerjesztik 1,89 MHz ismétlési frekvencián, ami megmagyarázza, hogyan sikerült nagyon jó minőségű képeket készíteni egy olyan lézerrel, aminek átlagteljesítménye (a mintán) megegyezik egy lézerpointerével.  A mikroszkópiás mérőfej hossza, ami magába foglalja a lézeres pásztázó, leképező és detektáló egységeket is, 180 mm.

A bemutatott új mikroszkópiás képalkotó rendszer legfontosabb előnyeit a következőkben foglalhatjuk össze: a használt impulzusüzemű lézer alacsony ára, az optikai szálas átvitel által biztosított flexibilitás, a kisméretű mérőfej által biztosított könnyű kezelhetőség, valamint az alkalmazott lézerhullámhossznak és lézerteljesítménynek köszönhető minimális biztonságtechnikai kockázat in vivo alkalmazások esetén. Egyéb eredmények: Az elmúlt évben a zsírszerű anyagok mérésére kifejlesztett CARS módszert alkalmaztuk sclerosis multiplex (SM) állatmodelleken, hogy az állatok szervezetébe kuprizon hatását vizsgáljuk az idegsejtek axonjait borító myelin hüvelyre. Ebben az évben a CARS módszert továbbfejlesztettük az élő szervezetben (pl. bőrben, agyban) lévő fehérjék és NO jelölésmentes mikroszkópiás méréséhez, ami CARS rendszerünkben mind az optikai mind a lézerrendszer továbbfejlesztését igényelte. Megvizsgáltuk továbbá a nemlineáris mikroszkópokban a lézernyalábok terelésére alkalmazott szélessávú dielektrikum tükrök diszperziós tulajdonságait és ennek hatását a képminőségre.

Ultragyors és Attoszekundumos Fizika (Lendület kutatócsoport). – Új nanooptikai mérési módszert demonstráltunk, amellyel fém nanorészecskék közvetlen, nanométeres közelében megmérhető az elektromos térerősség. Az új mérési módszernek a napelemek továbbfejlesztésétől kezdve a biológiai/kémiai szenzorok fejlesztésén át egészen egyes rákterápiás módszerekig nagy jelentősége lehet, hiszen tetszőleges nanostrukturált fémfelület optimalizálható és az alkalmazásokhoz illeszthető a térrnövekmény közvetlen mérése által, amihez mindössze egy femtoszekundumos lézerforrásra és egy elektronspektrométerre van szükség.

Kristályfizika. – Kiemelkedő minőségű nemlineáris optikai oxid-egykristályokat állítottunk elő különböző kristálynövesztési és minősítési eljárások felhasználásával újabb alkalmazások és kutatás céljára, például lítium-ittrium ortoborátot (Li6Y(BO3)3, LYB), β-bárium metaborátot (BBO) és egy nagyméretű LiNbO3:Mg prizmát THz-es impulzusok generálására.

Fundamentális jelentőségű eredményünk a polaronos rácstorzulás közvetlen jellemzése lítium niobátban. A ps-os pumpáló impulzusokkal generált O– kis-polaronok körüli ionos elmozdulásokat egy molekuláris szonda, hidroxil ionok segítségével határoztuk meg. A szennyezőként jelenlevő OH– ionok közvetlen közelében O––ként csapdázott lyukak kimutatása infravörös próbaimpulzusok segítségével történt, detektálva az OH– nyújtási módus abszorpciós frekvenciájának tranziens vöröseltolódását.  A polaronos rácstorzulást az OH– ion Morze-potenciáljának módosulásaként figyelembe véve, az O-Nb és a többi szomszéd távolság néhány százalékos változását feltételezve egyezést kaptunk a kísérlettel.

ESR spektrumunk szögfüggésének vizsgálatával LYB-ben meghatároztuk az izolált Yb3+ centrumok spin-Hamilton tenzorait. Nagyfelbontású infravörös abszorpció és az emisszió segítségével révén Yb3+ ion-párokat is jellemeztünk. A párképződési tendenciát SIESTA-kódos kvantumkémiai számítások is alátámasztották. Szaturációs spektroszkópiai módszerekkel LYB:Er-ban  meghatároztuk az Er3+ ionok infravörös átmeneteinek homogén vonalszélességét, populációs relaxációs kinetikáját és mágneses térbeli spektrális lyukfelhasadását. Analitikai módszereket fejlesztettünk és optimalizáltunk, pl. atomabszorpciós eljárást Mg és Al kimutatására LiNbO3 tömbi illetve SiC nanokristályokban.

Nanoszerkezetek és alkalmazott spektroszkópia. – Egy új kutatási irányvonalat indítottunk el az egyfoton-emitter centrumok kialakítására nanogyémántban femtoszekundumos impulzuslézeres technológia alkalmazásával. Az eddig elvégzett kísérletek igazolták a nanogyémánt szemcsék jelenlétét és a szilíciumatom szerkezetbe való beépülését a szén- és szilícium-tartalmú kiindulási anyagból ultrarövid lézerimpulzusokkal előállított mintákban.

Először vizsgáltuk kísérletileg a szilícium-vakancia centrum spektrális tulajdonságait nagyszámú, mikrohullámmal erősített kémiai gőzfázisú leválasztással előállított gyémánt vékonyrétegen, hogy meghatározzuk a centrum zérus-fonon vonalának spektrális paramétereiben mások által is megfigyelt jelentős szórást. Igazoltuk, hogy a centrumok előállítási paraméterek módosításával változtatható lokális környezete jelentősen befolyásolja a kialakuló SiV-centrumok spektrális paramétereit. A SiV-centrumok környezetében meghatározott belső húzófeszültség nyomófeszültséggé alakulása a SiV-csúcs kékeltolódását és vonalkiszélesedésének csökkenését eredményezi. Ennek magyarázata, hogy a nagyobb lokális nyomófeszültség az alap- és a gerjesztett állapotban egyaránt megnöveli a SiV centrum energianívóinak felhasadását, visszaszorítva ezáltal a kis energiájú akusztikus fononok közreműködésével végbemenő pályarelaxációt.

Az agysejtek jelölésmentes megkülönböztetésére és aktivitásának érzékelésére alkalmas új eljárások kifejlesztése céljából Raman-spektroszkópiás vizsgálatokat végeztünk élő agyszöveten. Kimutattuk, hogy a stimulált Raman-spektroszkópia ígéretes eljárás az agysejtek aktivitásának követésére és az idegrendszeri betegségek és rendellenességek diagnosztizálására.

Kvantumoptika és kvantuminformatika

Kvantumoptika (Lendület kutatócsoport) – A Dicke-féle szuperradiáns kvantumos fázisátalakulás létezése régóta nyitott kérdése a kvantumelektrodinamikának. Megmutattuk, hogy kritikus pont valóban létezik, bár az atomok közötti kontakt kölcsönhatás miatt a Dicke-modell jóslatánál nagyobb sűrűségek felé tolódik. Az atomok és az elektromágneses sugárzás ultraerős csatolási tartományát a regularizált elektromos dipólmértékben írtuk le. Átlagtérelméletben figyelembe vettük az atomok közötti rövid hatótávú kölcsönhatást, ami depolarizációt okoz az egymást az atomi méretskálán megközelítő atomokban. Kimutattuk a kritikus sűrűség közelségét a szilárd anyag sűrűségéhez, ami alapján azt a sejtést fogalmaztuk meg, hogy a kritikus sűrűségnél az atomok valójában a kondenzált állapotba mennek át, csak ennek a bonyolult mikroszkópikus folyamatnak a leírása már túlmutat a kvantumelektrodinamikai modellen.

Kvantuminformatika és a kvantummechanika alapjai – Megmutattuk, hogy a kaotikus viselkedés viszonylag általános az állapot-szelektív kvantumprotokollok között: egy optikai eszközökkel megvalósítható elrendezésben exponenciális érzékenységet találtak minden kezdőállapotra. Megmutattuk, hogy bármely kompex racionális leképezés, köztük a Mandelbrot halmazt definiáló polinom leképezés is közvetlenül megvalósítható megfelelő kvantumkapuk alkalmazásával. Az iterált, állapotszelektív protokollokban kezdetben egy sokaságból indulunk ki, amelynek mérete minden iterációs lépésben csökken. Bebizonyítottuk, hogy a kezdeti állapotokra való exponenciális érzékenység szükségszerűen a sokaság méretének exponenciális csökkenésével jár. Eredményeink szerint kvantumállapotok közötti kezdeti különbségek fokozatos nagyítása lehetséges („Schrödinger mikroszkóp”), azonban a szükséges másolatok számára létezik egy szigorú alsó korlát.

Beláttuk, hogy kvantumcsatornák egy általános osztályára a várható visszatérési idő megadható úgy, mint a kezdeti állapot állandósult állapotban vett súlyának inverze. Állításunk a klasszikus Markov láncokra vonatkozó Kac lemma általánosítása.

A Bonni Egyetemen működő kísérleti csoporttal együttműködve tanulmányoztuk a dekoherencia hatását topologikusan nem-triviális kvantumos bolyongások élállapotaira, amelyeket optikai rácsban csapdázott atomokkal valósítanak meg. Ez fontos kérdés, ha kvantumos bolyongásokkal szimulálunk szilárdtesfizikai modell-Hamilton operátorokat, mivel itt a dekoherencia más jellegű mint a szilárd testekben. Olyan dekoherencia modelleket használtunk, amelyeket korábban már alkalmaztak és teszteltek egydimenziós kvantumos bolyongást megvalósító kísérletekben. Egyszerű analitikus modellt fejlesztettünk ki ezen élállapotok robusztusságának kvantifikálására spin illetve térbeli fázisvesztéssel szemben, megjósolva populációjuk exponenciális bomlását.

Egy atomlézer rádiófrekvenciás kicsatolási sémáját tekintettük, figyelembe véve a gravitáció hatását is. Egy intuitív modellt és az egzakt, három dimenziós, teljes kvantummechanikai megközelítést is alkalmazva levezettük különböző méretű és alakú kondenzátumok helyfüggő spektrális felbontási függvényét.