Főbb kutatási területek

Munkatársaink mind a Fizikai Intézetben, mind a hazai és nemzetközi színtéren zajló együttműködésekben változatos témákban folytatnak kutató-és fejlesztőmunkát alap- ill. alkalmazott kutatási területeken egyaránt.

- Főbb együttműködéseink

- Kutatócsoportjaink

Advanced Optical Imaging Group

Kvantitatív lokalizációs mikroszkópia

A lokalizációs mikroszkópiai módszerrel felvett adatsorok ideálisak forrást jelentenek a minta kvantitatív kiértékelésére. A kiértékelés jelentheti egyrészt a mintát jellemző geometriai paramétereinek (távolság, vastagság stb.) meghatározását, másrészt a jelzett molekulák megszámlálását. Az első esetben a target és a festékmolekula relatív helyzetét kell meghatározni. Ismerve a jelölés geometriai tulajdonságait, dekonvolúciós algoritmust, átlagolást és illesztést alkalmazva szarkomer struktúrákban <5 nm pontossággal tudtuk közel 30 kulcsfehérje relatív pozícióját meghatározni. Egyetlen jelölt molekula eredményeként detektált lokalizációk számának meghatározása a dSTORM lokalizációs adatok klaszterezésén alapszik. A rendszer válaszjelének meghatározása után lehetőség van az egyes tartományokban lévő jelölt molekulák számszerűsítésére. Ezen módszert felhasználva kvantifikáltuk a kettős szálú DNS-törés során kialakuló fókuszokat és adtuk meg térbeli eloszlásukat.

Multimodális lokalizációs mikroszkópia

A lokalizációs mikroszkópia az időben és térben szeparált fluoreszcens molekulák képeire illeszt Gauss eloszlást. Az illesztett görbe középpontja adja meg a molekula 2D helyzetét. A detektált fotonok azonban sokkal több információt hordoznak a forrásukról. Polarizáció érzékeny detektálással lehetőség van fixált minták esetén a molekulák orientációjának maghatárazására vagy mozgó/forgó jelölés estén a rotációs diffúzió mérésére. A rendszer pontátviteli függvényének módosításával (PSF engineering) lehetőség van fluoreszcencia anizotrópia mérések végzésére egymolekula szinten. A kifejlesztett módszert AF647 festékkel jelölt actin szálak belső struktúrájának vizsgálatára alkalmaztuk. A lokalizációs mikroszkópiát ötvöztük a 4Pi elrendezéssel. A kifejlesztett módszer fényveszteség nélkül képes 3D, többszínű illetve polarizációs méréseket végezni. A rendszert szarkomer minták leképezésével teszteltük.

Műtermékek vizsgálata a lokalizációs mikroszkópiában

A lokalizációs mikroszkópia egy összetett adatkiértékelési folyamat során hozza létre a végső nagyfeloldású képet. Az adatgyűjtés és az algoritmus maga is számos hibát vezethet be, amelyek műtermékként jelennek meg a végső képen és az eredmények helytelen interpretálásához vezethetnek. A kutatócsoport a teljes adatfelvétel és kiértékelést magába foglaló szimulációs kódot dolgozott ki a végső képen megjelenő műtermékek vizsgálatára és azok kiküszöbölésére. A szoftver lehetőséget nyújt a végső képminőség függésének meghatározására az egyes paraméterektől (festési sűrűség, drift, linker hossz stb.). Az algoritmus segítségével felgyorsítható a mintaelőkészítés folyamata és elkerülhetőek a dSTORM specifikus leképezési hibák. A szoftver igény szerint fejleszthető.

Biofizikai kutatócsoport

Fotoszintetikus bíborbaktériumok: alap- (bioenergetika) és alkalmazott (környezetvédelem) kutatás

A fotoszintézis során a napfényből érkező fotonok energiája stabil kémiai energiává alakul a fotogerjesztés, energia-, elektron- és protonátadás és enzimatikus lépéseken keresztül. Kérdés, hogyan alakítja át a fotoszintézis során a reakciócentrum redox fehérje nagy hatásfokkal a fotonok energiáját. Különböző bíborbaktérium törzseken (vad és mutáns típusokon) széles időskálán követjük a fény okozta szerkezeti változásokat, elektron- és protontranszfer-folyamatokat, elektrosztatikai és kinon-funkciókat, herbicid hatásokat. Fiziológiai adatokat nyerünk az egész sejtekből, megállapítjuk a fotoszintetikus kapacitásukat, amely felhasználható a nagy fényintenzitás, különböző oxigén atmoszféra és nehézfémek elleni védelmi folyamatok jellemzésére. Leggyakrabban használt kísérleti módszereink: fényindukált abszorpcióváltozás, bakterioklorofill fluoreszcencia indukció és relaxáció, késleltetett fluoreszcencia, in vitro sejttenyésztés és biokémiai fehérjepreparálás.

Bionanokompozit anyagok strukturális és funkcionális vizsgálata

Ismert, hogy a biológiai anyagok az extrém specifitásukat az eredeti környezetükben tartják meg. Az élő környezetből kivonva rendszerint csökken az aktivitásuk. Kísérletek igazolják, hogy „nem biológiai” anyagokhoz lehet őket kötni úgy, hogy képesek megőrizni aktivitásuk jelentős részét. Különleges lehetőség a „nano-anyagokhoz” való kötődésük, amelyekben lehetőség adódik arra, hogy az egyes komponensek előnyös tulajdonságait egyesítsük. Ezeket a különleges biohibrid rendszereket „bio-nanokompozitoknak” nevezzük. Ezek az új típusú anyagok új generációs alkalmazások sorát nyithatják meg. Biológiai aktivitással rendelkező anyagok (pl. porfirin-származékok, flavonoidok, fehérjék) köthetők szilárd hordozó felületekhez, félvezető nanorészecskékhez, átmenetifém-oxidokhoz, szénnanocsövekhez úgy, hogy funkcionális aktivitást mutatnak. Kutatásainkban a “természet napelemeinek” is nevezett izolált és tisztított fotoszintetikus reakciócentrumfehérjét rögzítjük 1-2-3D nanorendszerekhez és optoelektroikai, biofotonikai, fotovoltaikus, bioszenzor technológiai alkalmazásokat keresünk.

Csillagászati és Asztrofizikai munkacsoport

Szupernóvák és egyéb tranziens jelenségek fotometriai-spektroszkópiai követése

Az elmúlt években kutatócsoportunk nemzetközi téren is meghatározó szereplővé vált a (közeli) szupernóva-robbanások sokrétű megfigyelési adatokon és modellezéseken alapuló vizsgálatában. Az általunk elérhető észlelési infrastruktúra (beleértve két új, 80 cm-s magyarországi robottávcsövet – amiből az egyik az SZTE Bajai Obszervatóriumába lett telepítve –, de egyúttal a legnagyobb földi és űrtávcsöveket is) lehetővé teszi nagyon jó mintavételű és minőségű fotometriai és spektroszkópiai adatok gyűjtését, akár a látható tartományon kívül is. Ezek elemzése révén nem csak a táguló gázhéjak, hanem a szülőcsillagok fizikai tulajdonságait (tömeg, méret, luminozitás) is meghatározhatjuk; a szupernóvák tanulmányozása egyúttal fontos eszköz a kozmikus távolságmérésben is. Korunk nagy égboltfelmérései lehetővé teszik, hogy akár a robbanás után 1-2 nappal elkezdhessük a szupernóvák követését, de akár más, egzotikus események (pl. gigantikus fekete lyukak közelében lévő csillagok árapály-erők okozta szétszakadása, TDE) felfedezését is.

Kölcsönhatások és porképződési folyamatok szupernóva-robbanások környezetében

Csoportunk érdeklődési körébe tartozik a nagy energiájú szupernóva-lökéshullámok és a környező gázanyag (CSM) kölcsönhatásának vizsgálata. Ezen folyamat során erős, keskeny optikai emissziós spektrumvonalak, valamint intenzív rádió- és röntgensugárzás keletkezik, ami jellemzően néhány nappal/héttel a robbanás után (de esetenként akár évekkel később) figyelhető meg. Részben kapcsolódó folyamat a kozmikus porszemcsék szupernóvák környezetében zajló keletkezése, ill. felfűtődése; előbbi folyamat akár a robbanás előtt is végbemehet, ami így a késői csillagfejlődési és tömegvesztési állapotokba nyújthat betekintést. Csoportunk az utóbbi években komoly szakértelemre tett szert ezen témakörök vizsgálatában, ami nemzetközi szinten is megmutatkozik – többek között űrtávcsöves pályázatokban és adatkiértékelésékben, földfelszíni észlelési kampányokban (pl. a texasi McDonald Obszervatóriumban), illetve számos tanulmányban való részvételünkkel.

Termonukleáris szupernóva-robbanások spektroszkópiai modellezése

A termonukleáris szupernóvák (azaz fehér törpecsillagok végső robbanásainak) lefolyása és előzményei kulcskérdésnek számítanak az asztrofizikában; legyen szó a távolságmérésben fontos szerepet betöltő, standardizálható fénygörbékkel rendelkező, 'normál' Ia szupernóvákról, vagy valamilyen szempontból különleges (pekuliáris) társaikról. Csoportunk elsősorban az Iax-nek nevezett, a 'normál' eseményekhez képest halvány és diverz alosztályt képviselő objektumok vizsgálatára fókuszál. Tapasztalataink alapján az Iax típusú szupernóvák fejlett spektroszkópiai modellezése – amelyben csoportunk tagjai nemzetközi téren is úttörő szerepet játszottak – konzisztens eredményekre vezet (egyelőre ellentétben a 'normál' robbanásokkal), ami lehetővé teszi e robbanások maradványainak fizikai és kémiai jellemzőinek pontosabb feltárását, valamint a robbanási elméletek tesztelését. Ugyanakkor foglalkozunk normál és egyéb különleges termonukleáris robbanások színképelemzésével is, keresve a hasonlóságokat és különbözőségeket ezen események lefolyásában és eredetében.

Szupernóva-robbanások és a megelőző csillagfejlődési folyamatok numerikus modellezése

A szupernóva-robbanást kísérő extrém fizikai viszonyoknak hála ezen objektumok tanulmányozása a modern asztrofizika egyik fontos területét képezi. Ennek ellenére még ma is számos kérdés vár tisztázásra velük kapcsolatban. Éppen ezért a szupernóva-robbanások fizikájának pontosabb megértéshez a mérések mellett a numerikus modellek használata is elengedhetetlen. Kutatócsoportunk éppen ezért aktívan részt vesz mind a fél-analitikus modellek, mind a sokkal komplexebb hidrodinamikai szimulációk fejlesztésében. Modellezési szempontból a szupernóvák robbanási folyamatainak vizsgálata mellett, az is elengedhetetlen, hogy megvizsgáljuk ezen objektumok szülőcsillagainak belső szerkezetét és kémiai összetételét. Csoportunk ehhez első sorban az ún. MESA kódot használjuk, ami lehetővé teszi a csillagok evolúciójának modellezését a protocsillag állapottól egészen a szupernóva-robbanást megelőző vasmag-összeomlásig.

Fedési kettős és többes csillagrendszerek vizsgálata

Az egymás körül keringést végző csillagok szerencsés esetben a Földről szemlélve egymást időnként eltakarják, így a rendszer fényessége, illetve a benne található csillagok látóirányú sebessége időben periodikusan változik. Az ilyen típusú, ún. fedési kettőscsillagok e két tulajdonsága fotometriai és spektroszkópiai mérésekkel nyomon követhető. Kutatócsoportunk korábban felfedezett rendszerek űrfotometriai adatainak elemzésével, illetve földfelszíni fotometriai és spektroszkópiai mérésekkel való kiegészítésével foglalkozik. Ennek keretében az egyes rendszerek fény- és radiálissebesség-görbéinek, a fedési minimumidőpontok változásainak és a rendszerek spektrális energiaeloszlásainak komplex modellezését végezzük. Vizsgálataink célja a rendszerekben található esetleges extra komponensek kimutatása, a csillagok fizikai és pályaparamétereinek minél pontosabb meghatározása, illetve a rendszerben végbemenő fizikai jelenségek minél jobb megértése, melyek mind elősegítik a csillagfejlődési elméletek pontosítását.

Elméleti fény-anyag kölcsönhatási Kutatócsoport

A magasfelharmonikus-keltés kvantumoptikai vonatkozásai

Nagyintenzitású elektromágneses terek esetén a magas fotonszám miatt nem szokás a mező kvantált, azaz a fotonképet alkalmazó leírását alkalmazni. Ugyanakkor a magasfelharmonikus-keltés folyamata során a jelenség alacsony hatékonysága miatt a felharmonikusok a gerjesztésnél már sokkal kisebb intenzitásúak, így ilyenkor még a szokásos ökölszabály szerint is hasznos a felharmonikus módusok kvantumoptikai leírása. Emellett, érdekes módon, kísérleti eredmények utalnak arra, hogy maga az erős gerjesztő tér is rendelkezik olyan tulajdonságokkal, amelyek csak ilyen módon értelmezhetők. Kutatásaink során ennek a jelenségnek a jelenleg a még alig kidolgozott elméleti hátterét tervezzük körüljárni korábbi munkáinkra alapozva. Módszereink analitikus számításokon alapuló, a problémákra optimalizált numerikus eljárásokat jelentenek, ahol a váltás azon a ponton történik meg, amikor az analitikus módszer további alkalmazása már nehézkessé vagy kivitelezhetetlenné válik.

Szilárdtestekben lézerimpulzussal keltett áramok leírása

Szilárdtestek optikai gerjesztésének modellezésére jól kidolgozott elméleti módszerek léteznek, különösen az alacsony gerjesztő intenzitások esetén. A tankönyvekből ismert eredményekkel szemben ugyanakkor a femtoszekundumos impulzushosszak és a GV/m csúcstérerősségek egy olyan tartományt jelentenek, amelyben akár több elektronvoltnyi szélességű tiltott sávok is áthidalhatók közeli infravörös gerjesztéssel, anélkül, hogy maga a szilárdtest struktúra visszafordíthatatlan sérülést szenvedne.

Kutatásaink célja ennek a tartománynak az elméleti feltérképezése numerikus és analitikus módszerek kombinációjával. A megválaszolandó kérdések egyrészt arra vonatkoznak, hogy az anyagi válasz mérhető jellemzői (pl. a lézerimpulzus által elmozdított töltések) hogyan tükrözik a gerjesztő impulzus tulajdonságait, illetve milyen változások jöhetnek létre az anyagban, ha jól megtervezett paraméterekkel jellemezhető lézerimpulzusokkal hatnak kölcsön.

Fény-anyag Kölcsönhatási Kutatócsoport

Lézerindukált folyamatok időfelbontásos vizsgálata

Erre a feladatra egy gyorsfényképező (pump and probe) elrendezést építettünk meg. A megmunkáló lézerrel besugározzuk a vizsgálandó mintát, melyet egy, ehhez képest elektronikusan vagy optikailag késleltetett nitrogén lézerrel, vagy az azzal gerjesztett festéklézerrel, az adott feladatnak megfelelő hullámhosszon világítunk meg. A mintában (átlátszó anyag esetén), a felületén, illetve a felette, az aktuálisan beállított késleltetésnek megfelelő időpillanatban lezajló jelenségeket egy mikroszkóppal és egy kamerával figyeljük meg az exponáló impulzus segítségével, a pillanatképet számítógépen rögzítjük. A késleltetés -100 ns-tól 10 ms-ig változtatható. A rendszer időbeli felbontása közel 1 ns. Ezzel az elrendezéssel meg tudtuk valósítani többek között a lézeres abláció során kialakuló lökéshullámok, a minta belsejében terjedő akusztikus impulzusok és az anyageltávozási folyamatok időfelbontásos vizsgálatát.

Lézeres anyagmegmunkálás

A Fény-anyag Kölcsönhatási Kutatócsoport laboratóriumában rendelkezésre álló (műszer- és lézerpark (excimer lézerek@193, 248 nm, nitrogén lézer@337 nm, Nd:YAG lézerek@532, 1064 nm, CO2 lézerek@10,6 µm, festéklézerek) lehetővé teszi különböző anyagok széleskörű lézeres megmunkálását, a lezajló folyamatok tanulmányozását. Vizsgáljuk polimerek, biológiai szövetek ablációját, átlátszó anyagok direkt és indirekt lézeres finommegmunkálását, fotokémiai folyamatok lézeres indukálását. A 200 W-os széndioxid-lézerünkkel ipari szintű megmunkálási feladatokat, illetve orvosi-biológiai kutatási célú lézer-szövet beavatkozásokat is el tudunk végezni. A berendezéseinkkel lehetőség van vékonyrétegek leválasztására (PLD), anyagok kontrollált átvitelére (LIFT). Készítettünk már vékonyréteget fémekből és szerves anyagokból egyaránt. Az általunk kifejlesztett AFA-LIFT technológia alkalmazásával élő sejteket tudunk csoportosan átvinni donor felületről akceptor felületre.

Nanorészecskék, nanostruktúrák lézeres előállítása

Az utóbbi évtizedekben a nanorészecskék és nanostruktúrák egyre inkább az érdeklődés előterébe kerültek sokféle potenciális alkalmazási lehetőségeik miatt, amelyek különleges fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságaik széles skáláján alapulnak. Mivel a fém nanorészecskék tulajdonságai függnek alakjuktól és méretüktől, kiterjedt vizsgálatokat végzünk e paraméterek szabályozására különféle előállítási módszerekkel. Elsősorban a lézeres ablációs technikát alkalmazzuk, amely lehetővé teszi nanorészecskék előállítását szinte bármilyen fémből.
Az impulzuslézerek nagy pontosságú mikromegmunkálást tesznek lehetővé még a nagy hővezetési tényezővel rendelkező fémek esetén is. Bizonyos paramétertartományon a kezelt felületeken olyan nanostruktúrák alakulhatnak ki, amelyek nagymértékben csökkentik a besugárzott felület reflexióját az UV, a látható és a közeli IR tartományon egyaránt. Ezt az abszorpciónövekedést fémek széles skálája esetén kimutattuk, mint például arany, ezüst, réz. A mintázatok kialakulása és a reflexiós tulajdonságok változása közötti kapcsolatot vizsgáltuk különböző lézerparaméterek alkalmazása mellett.

Gyógyszerhatóanyagok lézeres aprítása

A már forgalomban lévő, illetve fejlesztés alatt álló gyógyszerhatóanyagok között jelentős csoportot tesznek ki a vízben oldhatatlan vagy rosszul oldódó vegyületek, melyek biológiai hasznosulása optimalizálásra szorul. Ezek orvosi hatékonysága javítható a részecskeméret redukálással, a megnövelt aktív felületnek köszönhetően. Kutatásaink során a gyógyszerhatóanyag részecskék lézeres ablációval történő aprításának két fő technikáját vizsgáljuk: a folyadék alatti impulzuslézeres ablációt (PLAL) és az impulzus lézeres ablációt (PLA), ami levegőben zajlik le. Három anyagot (meloxicam, ibuprofen, nifluminsav) vizsgáltunk eddig három hullámhosszon (1064 nm (IR), 532 nm (VIS), 248 nm (UV)) Milli-Q (MQ) víz és levegő közegben. Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiával (FTIR) állapítottuk meg a keltett részecskék sztöchiometriai tulajdonságait, pásztázó elektronmikroszkóppal határoztuk meg morfológiájukat és méreteloszlásukat. Mindhárom hatóanyag esetén bizonyítottuk, hogy az ablációs eljárás alkalmas a gyári részecskeméret jelentős csökkentésére.

Szöveti perfúzió mérése lézeres szórási interferenciaképek kontraszt-analízisével

Kamerával megfigyelhető szövet-terület véráramlásában (perfúziójában) bekövetkező változások valós idejű mérése megoldható a lézer speckle (szórási, vagy folt interferencia) kontraszt-analízissel (Laser Speckle Contrast Analysis, LASCA). A testszövetet lézerrel megvilágítva a mozgó vörösvértesteken szóródó fény a kamerában egy időben fluktuáló interferenciaképet hoz létre, melynek kontraszt-elemzéséből következtetni lehet az adott szövetrészben található vörösvértestek átlagos sebességére. A mérések pontosságát ronthatja a megvilágított felületről, valamint a felszín alatt levő egyéb mozdulatlan részecskékről visszaszórt fény, kutatásaink főleg e hatások kiküszöbölését és a mérési pontosság növelését célozzák. Laboratóriumunkban megépítettünk egy mobil mérőrendszert, mely egyaránt alkalmas nagyobb bőrfelületek vizsgálatára, vagy akár jóval kisebb (~1 cm) felületeken történő mérésekre is, mint pl. kisállatok agyfelszíni perfúziójának monitorozása.

Fotoakusztikus Kutatócsoport

Gépjárművek károsanyag-kibocsátását fotoakusztikus elven mérő műszerek fejlesztése és alkalmazása

Az általunk végzett összes kutatási-fejlesztési tevékenység a fotoakusztikus módszer kiváló analitikai tulajdonságain, mint pl. a nagy érzékenység, szelektivitás, széles mérési tartomány és gyors válaszidő alapul. Kihasználva ezeket az előnyöket olyan fotoakusztikus elvű műszereket fejlesztünk, melyek alkalmazhatók elsősorban belsőégésű motorral felszerelt gépjárművek károsanyag-kibocsátásának mérésére akár görgős fékpadon, akár motortesztpadon vagy akár tesztpályán haladó gépjárműbe szerelve is. A mért szennyezőkomponensek listája folyamatosan bővül, és tartalmazza többek között az alábbiakat: NO, NO2, N2O, NH3, CO, CO2 illetve az üzemanyag tökéletlen égéséből származó koromrészecskék. A műszereink által szolgáltatott eredményekre alapozva kapcsolatokat tudunk feltárni a károsanyag-kibocsátás mennyiségi és minőségi jellemzői és a gépjármű motorikus paraméterei között.

 

Légszennyező komponensek folyamatos mérésére alkalmas drónra telepíthető fotoakusztikus rendszerek fejlesztése és alkalmazása pl. erdőtüzek korai detektálására illetve a szennyeződésterjedés nyomon-követésére

Az általunk végzett összes kutatási-fejlesztési tevékenység a fotoakusztikus módszer kiváló analitikai tulajdonságain, mint pl. a nagy érzékenység, szelektivitás, széles mérési tartomány és gyors válaszidő alapul. Ebben a kezdeti szakaszában lévő munkánk során ezeket az előnyökre alapozva olyan fotoakusztikus elvű műszereket fejlesztünk, melyek kis méretük és könnyű súlyuk miatt drónra telepíthetők és kihasználva a drónok kiváló manőverezési képességeit kritikus körülmények között, mint pl. erdőtüzek esetében is alkalmazhatók. Jelenleg a rendszer további méretcsökkentésén illetve a mérhető levegőszennyező komponensek körének kiszélesítésén dolgozunk széleskörű nemzetközi és hazai együttműködés keretében.

 

Légköri aeroszolrészecskék mennyiségi és minőségi analízisére alkalmas módszerek fejlesztése, a legmodernebb műszerekkel és részecskegenerátorokkal ellátott aeroszol-laboratórium működtetése

A Lézeres Aeroszol Kutatások Laboratóriumban (LAKLab) saját fejlesztésű és a legmodernebb aeroszol generátorokra és mérőműszerekre alapozott nemzetközi viszonylatban is egyedülálló műszeres infrastruktúra áll rendelkezésre a légkörben előforduló nano részecskék komplett mikrofizika sajátosságainak vizsgálatára, illetve azok kontrollált, laboratóriumi körülmények közötti modellezésére. A vizsgálataink középpontjában szerteágazó alap és alkalmazott kutatási témák állnak. Foglalkozunk a légköri korom nano aeroszolok kibocsátó forrásának és nukleációs jelenségek valós idejű vizsgálatával. Levegőben eloszlatott nano részecskék lézeres gerjesztésen alapuló laboratóriumi modellezésével. Emissziós alapú üzemanyag-fejlesztési kutatásokkal, illetve gyógyszerhatóanyagok nanonizálásával, speciális keveredési geometriájú és morfológiájú nano aeroszolok spektrális válaszának in-situ vizsgálatával. Az aeroszolok levegőminőségre, klímára és az egészségre gyakorolt hatásának vizsgálata szintén kiemelt tudományos célkitűzés a laboratóriumnak.

 

Maszkok áteresztőképességének mérésére alkalmas rendszerek fejlesztése

A lézeres Aeroszol Kutatások Laboratórium (LAKLab) nemzetközi viszonylatban is egyedülálló műszeres infrastruktúrája és a nano aeroszolok témakörben felhalmozott tudásanyag szinergiája sokrétű lehetőséget teremt a napjainkban kiemelten fontos, vírusterjedés szempontjából releváns kutatások végzésére. Speciális, saját fejlesztésű mérési elrendezésünkben, kontrollált nano aeroszol standardokon és valós légzési paraméterek mentén végzünk vizsgálatokat sebészeti és orvosi maszkok áteresztőképességének vizsgálatára. Vizsgáljuk az áteresztőképesség fizikai paraméterektől (sűrűség, viszkozitás, morfológia, felületi feszületség, stb.) függését a tüdő kiülepedési térképében kiemelten fontos szubmikrométeres mérettartományban. A kísérleti eredményeket felhasználva új módszereket és mérési elrendezéseket fejlesztünk a nagy hatékonyságú sebészeti maszkok kutatás-fejlesztésének támogatására. Aeroszol képződéssel járó egészségügyi beavatkozások pl. fogászati kezelés során fellépő vírusterjedési kockázatok kísérleti meghatározását is vizsgáljuk.

Integrálható rendszerek Kutatócsoport

Hamiltoni redukció alkalmazásai integrálható rendszerekben

Az egzaktul megoldható modellek tanulmányozásának egyik fő módszere a hamiltoni szimmetria redukció, amely a vizsgált rendszereket magasabb dimenziós, sok szimmetriával bíró, egyszerű rendszerek „árnyékaként” állítja elő. A módszer klasszikus és kvantummechanikai szinten egyaránt alkalmazható. Fehér László és munkatársai jelentős tapasztalatokkal rendelkeznek a területen, és jelenleg egy dimenzióban mozgó, tetszőleges számú spines kölcsönható részecskéből álló integrálható rendszereket vizsgálnak. Az egyik legfontosabb nyitott kérdést a híres hiperbolikus és elliptikus Ruijsenaars-Schneider modellek és spin kiterjesztéseik még nem ismert redukciós előállítása jelenti.

Kvantumfizika erős lézertérben, modellezés és numerikus szimuláció csoport

Nagy intenzitású lézerimpulzussal vezérelt alagutazásos ionizáció fázisteres vizsgálata

Az atomok erős lézertérben történő ionizációja alapvető szerepet játszik az attoszekundumos fizikában: megfelelően nagy intenzitású lézerimpulzus hatására az elektron atomi kötött állapotából - általában alagúteffektus révén - a kontinuumba távozhat. Ez egyúttal a rendkívül sikeres „három-lépéses modell” első lépése is, amely a magas-rendű harmonikus keltés és számos attoszekundumos mérési módszer elméleti alapja. Jelenleg az alagutazásos ionizáció legfontosabb nyitott kérdése az alagutazáshoz szükséges időtartam és az elektron lendülete az alagútból történő kilépésekor. Ezeket célzó mérések eredményei lineárisan polarizált lézerimpulzus estén ellentmondásosak. Kutatási témánkban egyetlen atomnak egy lineárisan polarizált lézerimpulzus hatására történő alagutazásos ionizációját elemezzük a klasszikus fázistéren a Wigner-függvény segítségével. Így olyan elektronpályákat kaphatunk, amelyek az ún. kvantum-momentum függvényen alapuló kezdő impulzussal indulnak, és nagyon jól egyeznek a későbbi kvantumos időfejlődéssel is.

Nagyintenzitású Lézeres Kutatócsoport (HILL)

Szubpikoszekundumos KrF excimer lézerekkel elérhető intenzitás növelésére irányuló kutatás-fejlesztési irányok

Rövid impulzusok erősítése KrF excimerben egyszerre nem optimalizálható a maximális energia kinyerési hatásfokra, illetve optimális intenzitás kontrasztra. Az erősítő optimális működése csak egy szűk energiasűrűség-tartományban (néhány mJ/cm2) lehetséges. Így a kimenő energia növelésének egyedüli módja az erősítő optikai keresztmetszetének növelése. Kisüléssel pumpált excimer erősítőknél az aktív közeg lineáris méreteit a homogén módon gerjesztett térfogat határozza meg. Az itt megjelenő esetleges inhomogenitások az erősített impulzus térbeli inhomogenitásában képeződnek le. Ugyanakkor KrF excimer erősítők esetében kiterjedt térfogatú (Fluort tartalmazó) gázelegyek homogén gerjesztése igen nagy kihívással járó feladat, ami 10 ns nagyságrendjébe eső, intenzív, homogén, elektromos, illetve pontosan szinkronizált, kontrollált térbeli eloszlású röntgen-tér keltését feltételezi.

Ezen kutatás-fejlesztési irány célja nagy térfogatú KrF gázkeverékek intenzív és homogén gerjesztése.

Rövid impulzusú excimer és szilárdtest lézerrendszerek időbeli kontrasztjának növelése

Extrém (>1020 W/cm2) intenzitásoknál lejátszódó fény-anyag kölcsönhatások vizsgálata tiszta, zajmentes gerjesztő impulzusokat feltételez, ahol az időbeli kontraszt megkívánt értéke >1012-1015.

A fázismodulált erősítés (CPA) elvét használó sziládtest lézerekben a limitált kontraszt elsődleges oka a fázismodulálás hibáiban keresendő, míg excimer lézerrendszerek esetén a jóval kisebb időbeli háttér egyedüli oka az ASE. Ez a háttér ugyanakkor jelentősen megnő, ha nagyobb erősítésre van szükség.

A közelmúltban általunk bevezetett ún. Nemlineáris Fourier Szűrési (NFF) technika az időbeli kontraszt jelentős (>1010-es) javulásával kecsegtet, a főimpulzusra vonatkoztatott magas transzmisszió mellett. Tekintettel arra, hogy az NFF módszer széles spektrális tartományban használható, ennek nagy intenzitású lézerrendszerekre történő alkalmazása igen perspektivikus.

Ezen project célja az NFF által nyújtott elvi kontraszt javítás kísérleti demonstrálása mind excimer mind szilárdtest lézerrendszerek esetén.

Nagy intenzitású lézerplazma kölcsönhatások vizsgálata KrF lézerrel

Az ultraibolya, szubpikoszekundumos lézerimpulzust ~ 2 mm átmérőjű foltba fókuszálva 1018 W/cm2 feletti intenzitások érhetők el, ahol forró plazma keletkezik. A kritikus felületen reflektálódó lézerimpulzus vizsgálatából a plazma mozgása meghatározható. A plazma által kibocsátott látható, UV és röntgensugárzás vizsgálatára rendelkezésre állnak spektrométerek az optikai, a röntgen- és extrém ultraibolya tartományokban, valamint holografikus és kristály rácsok. Vékony fóliák megvilágítása esetén, a hátoldalon kilépő ionok egy érdekes gyorsítási mechanizmus eredményei, amelyet a kilépő forró elektronok által okozott töltéshiány okoz. Nemzetközi együttműködéseinket megalapozza az „Excimer lézer meghajtók és plazmaspektroszkópia” című kutatási szerződésünk a Nemzetközi Atomenergia Ügynökséggel (NAÜ).

THz sugárzás keltése nagy teljesítményű ultraibolya lézerimpulzusokkal

THz-es impulzusok keltésének egyik módszere az úgynevezett félvezető antenna módszer. Az elektromosan előfeszített félvezetőt intenzív fényimpulzussal megvilágítva, félciklusú THz impulzusok kelthetők. A KrF lézer nagy fotonenergiája lehetővé teszi nagy tiltott sávval rendelkező félvezetők használatát, és ez által nagyobb THz-es energiák elérését. A montreali Institut National de la Recherche Scientifique és a Pécsi Tudományegyetem kutatóival együtt végzett kísérleteinkben az intenzív THz sugárzással keltett nemlineáris folyamatokat is tanulmányoztunk. A félciklusú THz impulzusok a jövőben részecskegyorsításra is alkalmazhatók.

Nanoplazmonika Kutatócsoport

Infravörös egyfoton detektálás

Szupravezető nanohuzalokon alapuló egyfoton detektorok (superconducting nanowire single photon detectors: SNSPD) optimalizálását valósítjuk meg különböző kvantuminformatikai alkalmazások céljaira: (i) az abszorpció maximalizálása (A-SNSPD), (ii) a polarizáció szelektivitás maximalizálása az abszorpcióra vonatkozó kritériummal (C-SNSPD) és nélkül (P-SNSPD), (iii) a polarizáció-szenzitivitás minimalizálásával (X-SNSPD), az egymásra merőleges polarizációs komponensek szelektív kiolvasását biztosítva (O-SNSPD). A diszperziós karakterisztika feltételes optimalizálása lehetővé teszi azon integrált detektor paraméterek meghatározását, amelyekkel nagy abszorpció érhető el kontrollált (nagy vagy egységhez közeli) polarizáció kontraszt mellett közel merőleges beesésnél, tipikusan egy plazmonikus áteresztő sávon belől, amelyet p-polarizáció esetében MIM módusok csatolása segít. Terveink között szerepel fotodetektorok fejlesztése a polarizációban, AM-ben és OAM-ben kódolt információ kiolvasására.

Egyfotonforrások erősítése

A gyémántba implementálható nitrogén (NV) és szilícium (SiV) színcentrumok spontán emisszióját erősítő különböző individuális és dimer plazmonikus nanorezonátorokat tervezünk kvantuminformatikai alkalmazások céljaira. A gerjesztés és emisszió hullámhosszán megadott teljes sugárzási ráta erősítések és az emisszión megadott korrigált kvantumhatásfok szorzatának maximalizálása olyan konfigurációkra vezet, amelyek elősegítik mindkét folyamat erősítését. Gyémánttal bevont ezüst és arany individuális és dimer nanorudakat, valamint ezüst és arany héjba zárt gyémánt magot tartalmazó nanorezonátor konfigurációkat optimalizálunk a színcentrumok emissziójának erősítésére. Az SiV színcentrum belső kvantumhatásfokánál jobb hatékonyságot mutató csatolt emitter-nanorezonátor rendszerek is tervezhetők. Előnyösebb a bevont szférikus és csupasz ellipszoidális kompozíció, valamint az ellipszoidális geometria. Terveink között szerepel aszimmetrikus dimerekkel az erősítés maximalizálása.

Plazmonikus bioplatformok

Plazmonikus bioplatformokat tervezünk, amelyek individuális, periodikus és komplex struktúrákon alapulnak, és amelyekkel a fluoreszcens festékek fénykibocsátása a gerjesztés és az emisszió együttes erősítésével maximalizálható, ennek eredményeként a jelölt bio-objektumok nagyobb érzékenységgel és jobb specifikussággal kimutathatók. A plazmonikus spetrumszerkesztés szabadságai fokainak maximalizálására integrált litográfiai eljárást dolgoztunk ki. Kimutattuk, hogy a komplementer mintázatokat komplementer nyalábokkal kivilágítva az optikai válaszok felcserélődnek a Babinet elvnek megfelelően. Mindemellett a töltés és közeltér eloszlása is analóg a komplementer orientációkban, ami lehetővé teszi fluoreszcens emitterek kontrollált erősítését. Terveink között szerepel a meta-anyag architektúrák és a kontrollált Fano-rezonancia eredményeként keskeny vonalakat mutató komplex struktúrák tervezése a bio-detektálás hatékonyságának maximalizálására.

Nemklasszikus fény generálása

A plazmonikus Dicke effektus során a több kölcsönható plazmonikus módus versengése miatt optimalizálással biztosítható, hogy az N emitter kooperativitásának eredményeként az emisszió N2-el skálázódjon. Gyémántba implementálható színcentrumokat tartalmazó mag-héj szerkezetű nanorezonátorokat optimalizálunk a szupersugárzás elérése céljából. Gyémánt-ezüst (csupasz) és gyémánt-ezüst-gyémánt (bevont) szférikus és ellipszoidális geometriájú nanorezonátorokban 4 és 6 SiV színcentrumot helyezünk el szimmetrikus és aszimmetrikus rektanguláris és hexagonális mintázatban. A szupersugárzás optimalizálásához előnyösebb a nagyobb számú emitter, csupasz szférikus és bevont ellipszoidális nanorezonátor kompozíció, és az ellipszoidális geometria. Az egyfoton források individuális nanorezonátorokkal történő kollektív csatolása mellett tanulmányozzuk az emitterek és a rácsokon valamint a komplex struktúrákon terjedő felületi plazmon polaritonok erős csatolását, továbbá a plazmonikus lasing jelenséget.

Kevés ciklusú tér erősítése

A kevés ciklusú plazmonikus tér erősítése céljából nanorudak és mag-héj nanorészecskék individuális és dimer kompozícióit optimalizáljuk, amely kulcsfontosságú az erős terek alkalmazásának területén. A mag-héj nanorezonátoroknál a kevés ciklus erősítéséhez olyan geometriai összetétel választása szükséges, ami széles szórás hatáskeresztmetszetet tud biztosítani, így alkalmas a bejövő impulzus ciklusszámának megőrzésére. Ugyanakkor a nagy és széles szórási maximum kis abszorpcióval jár – ezért ezen nanorezonátorokra az optimalizálás kompromisszumos. Az ezüst bow-tie antennák eredményezik a legnagyobb térnövekményt, míg a ciklusszám és térnövekmény szempont együttes figyelembe vételével az arany mag-héj és az ezüst nanorúd dimerek a legalkalmasabbak ultragyors plazmonikus terek generálására. Terveink között szerepel olyan plazmonikus architektúrák tervezése, amelyekkel a hordozó-burkoló fázis meghatározható, továbbá a fény-anyag kölcsönhatás adaptív kontrollja megvalósítható.

Fúziós target egyenletes felfűtése

A plazmonikus nanorészecskék rezonanciáját jelentős lokális térnövekedés kíséri, a nanorezonátor jósági tényezőjétől függő energia az abszorpció során lokális felmelegedést eredményez. Ez a jelenség bizonyos folyamatokat elősegíthet, pl. a kivilágító rövidimpulzus centrális hullámhosszán rezonáns plazmonikus nanorészecskék megfelelő eloszlásával nemcsak az abszorpció növelhető meg jelentősen, de a felmelegítés egyenletessé is tehető egy céltárgy mentén. Ily módon lehetővé válhat fúziós targetek gyors felfűtése és egyidejű (time-like) begyújtása. Nanorudak és mag-héj nanorészecskék eloszlásait optimalizáljuk azzal a céllal, hogy két egymással szemben haladó lézerimpulzussal egyenletes felfűtés és egyidejű begyújtás legyen elérhető. A nagy intenzitások következtében a nemlineáris plazmonikus jelenségek hidrodinamikai modellel leírása szükséges. További terveink között szerepel összetett plazmonikus architektúrák tervezése az átadott energiasűrűség térbeli és időbeli kontrollálása céljából.

Statisztikus fizika csoport

Rendeződés és dinamika soktest rendszerekben

Soktest rendszerek nagyszámú részecskét tartalmaznak, melyek között mikroszkopikus kölcsönhatás van. Példaként említhetjük a szilárd testeket a fizikában, vagy a sok emberből álló közösségeket. A soktest-rendszerek látványos tulajdonsága a spontán rendeződés, ami pl. folyadékok fagyásakor következik be. Az ezzel kapcsolatos fázisátalakulások tulajdonságait különböző modell-rendszereken tanulmányozzuk. A rendezetlenség minden valódi fizikai rendszer elkerülhetetlen velejárója és már nagyon kis mennyiségű a mintába befagyott rendezetlenség is megváltoztathatja a fázisátalakulás tulajdonságait. A kutatási témában rendezetlenségnek kvantumos rendszerekre gyakorolt hatását vizsgáljuk. Relaxációval kapcsolatos vizsgálatainkat az optikai rácsokra helyezettultra-hideg atomi gázokkal végzett kísérletek motiválják. Ezzel kapcsolatban zárt kvantumos rendszerek nemegyensúlyi relaxációját olyan folyamat során tanulmányozzuk, amikor a rendszerben lévő kölcsönhatást hirtelen megváltoztatjuk.

Kollektív viselkedés komplex hálózatokon

Egyes összetevők, elemi objektumok szerveződése a komplex hálózatok jellemzőit mutatja, melyeket mind a természetben, mind a mesterségesen előállított világban megfigyelhetünk. Az összetevők közötti kölcsönhatások eredményeként a hálózatot alkotó rendszer kollektív viselkedést mutat, mely sajátos törvényszerűségeket követ. A kutató munka során egyes konkrét komplex hálózatok szerkezetének empirikus felderítését, a hálózatokon észlelhető rend-rendezetlenség típusú fázisátalakulások tanulmányozását végezzük el. Különös hangsúlyt kapnak a nemegyensúlyi folyamatok, mint például a betegségterjedés és a járványok kialakulásának modellezése komplex hálózatokon. Olyan kérdéseket is vizsgálunk, hogy a hálózatok topológiájából adódó rendezetlenségnek milyen szerepe van a rendszer lassú relaxációjában.





Kövess minket



instagramYouTubeTwitter


Friss hírek

szte_cover_facebook

Jelentkezz az SZTE-re Fizika BSc, osztatlan fizikatanári, vagy - ha már alapdiplomás képzésben veszel részt - Fizikus vagy Csillagász mesterszakra!

November 26-án került sor a Fizikus Diákkör 2020 őszi helyi fordulójára.