A fényképezéstől a rákgyógyításig – mi fán terem az attofizika?

Az idei év két magyar kutató számára is elképesztő sikert hozott: úttörő felfedezéseikkel elnyerték a tudományos világ legrangosabb elismerését, a Nobel-díjat. Míg azonban az orvosi-élettani kategóriában győztes Karikó Katalin eredményeinek gyakorlati jelentősége mostanra nyilvánvaló, a fizika területén díjazott Krausz Ferenc kutatásában rejlő potenciál nagyrészt még kiaknázás előtt áll.

A tudósok azonban egyre intenzívebben foglalkoznak az attofizika alkalmazási lehetőségeivel, amelyek – ha beváltják a hozzájuk fűzött reményeket – forradalmi változásokat hozhatnak a tudomány, a technológia és az egészségügy terén is.

A fotózás egyik fő paramétere a záridő vagy expozíciós idő, azaz, hogy milyen hosszú ideig éri fény a szenzort, tehát mennyi idő alatt készül el valójában a kép. Amennyiben állvány nélkül, kézben tartott géppel fotózunk, ez az érték legfeljebb 1/60, a másodperc egyhatvanad része lehet, mert körülbelül ez a leghosszabb idő, ameddig teljesen mozdulatlanul tudjuk tartani a készüléket. Ha ennél hosszabb záridővel fotózunk, a kép nagy eséllyel homályos lesz a kezünk remegése miatt. Amennyiben mozgást szeretnénk ábrázolni, például járókelőket, gyerekeket vagy állatokat, sebességüktől függően 1/500, 1/1000 vagy még kisebb záridő lehet ideális. És akkor még nem is beszéltünk mondjuk a sportfotózásról, amikor rendkívül gyors mozgást kell elkapni a megfelelő pillanatban… Utóbbit már nehéz is megvalósítani egy hétköznapi fényképezőgéppel. Drága, speciális felszerelés kell ahhoz, hogy a megfelelő minőségben tudjuk megörökíteni azt a pillanatot, amikor mondjuk egy futó átszakítja a célszalagot.

De mi van akkor, ha egy sprinternél sokkal gyorsabban mozgó dolgot akarunk lefényképezni?

Mondjuk az atommag körül keringő elektronok pillanatnyi helyzetét szeretnénk megörökíteni? Ez esetben attoszekundumos nagyságrendű záridőre lenne szükségünk, azaz a másodperc néhány trilliomod (10-18) része alatt kellene elkészíteni a fotónkat. Egy ilyen ,,fényképezőgép” lehetővé tenné, hogy mindazt, amit eddig a fizikusok számításaik alapján valószínűsítettek az elemi részecskék mozgását illetően, közvetlenül vizsgálhassák. Krausz Ferenc, Pierre Agostini és Anne L’Huillier azért kapták meg idén a fizikai Nobel-díjat, mert sikerült attoszekundumos fényimpulzusokat létrehozniuk, lehetővé téve az elektronok pontos helyzetének ábrázolását az atomokban.

A fent említett tudósok által kidolgozott módszer a fény-elektron kölcsönhatásra épül. Az atommag körül keringő elektronok ugyanis képesek elnyelni az őket érő, megfelelő energiájú fotonokat (fényrészecskéket), azaz gerjesztődni. Ezt a többletenergiát azonban nemsokára leadják, mégpedig úgy, hogy az elnyelt fényt ismét kibocsájtják. Krausz Ferenc kutatásában nemesgázatomokat sugárzott be lézerfénnyel (egy azonos fázisú, irányú és hullámhosszú fotonokból álló fénysugárral, amely rendkívül pontos és koncentrált energiaátadásra képes), gerjesztve ezzel egy-egy külső elektronjukat. Ekkor az elektron átmenetileg leszakadt az atomról, majd az energiát leadva visszakerült eredeti pozíciójába, miközben néhány attoszekundumon keresztül fényt bocsájtott ki. Ez a fény – a fényképezőgépbe a záridő alatt bejutó fényhez hasonlóan – tette lehetővé, hogy elkészüljön a hátramaradt elektronok pillanatnyi helyzetét ábrázoló ,,fénykép”. Ennek jelenségnek a felfedezésével és vizsgálatával a kutatók megalapozták az attofizika tudományát.

Forrás: gophotonics.com

Napfény vs. villanyfény vs. lézerfény. A lézer koncentrált fényforrásként pontos és hatékony energiaátadásra képes.

De mire jó mindez amellett, hogy kielégíti a kutatói kíváncsiságot?

Ha belegondolunk abba, hogy az egész világ atomokból és molekulákból épül fel, amelyeknek a kémiai reakciók során megváltozik az elektroneloszlása, akkor nem nehéz felismerni, mekkora jelentősége van annak, hogy nemsokára nemcsak matematikai modellezéssel, de közvetlenül, képi módszerekkel lehet majd követni az elektronok mozgását. Sőt, elképzelhető, hogy a jövőben akár valós időben ,,filmezhetünk” egy-egy lejátszódó reakciót. Éppen ezért az attofizika forradalmi változásokat hozhat a kémiában és az orvostudományban, illetve az energetika és az információs technológia fejlődését is drasztikusan felgyorsíthatja.

Ahhoz, hogy mindez megvalósuljon, további kutatásokra van szükség, hiszen az ,,elektronkamerának” még csak az alapjait fektette le Krausz Ferenc és csapata a németországi Max Planck Kvantumoptikai Kutatóintézetben. Nem ő azonban az egyetlen magyar tudós, aki kulcsfontosságú munkát végez a témában: hazánkban 2014-ben kezdődtek el EU támogatásával létrejött Extreme Light Infrastructure (Extrém Fényinfrastruktúra, rövidítve ELI) kutatóhálózat attoszekundumos lézerekkel foglalkozó kutatóközpontja, az Attosecond Light Pulse Source (Attoszekundumos Fényimpulzus Forrás, rövidítve ALPS) kivitelezési munkálatai Szegeden. Az ELI jelenleg három tagintézményből áll, a másik kettő Csehországban, illetve Romániában található, és Európa legmodernebb, csúcstechnológiás eszközparkját tudhatják magukénak.

Az ELI-ALPS mintegy 240 millió eurós költségvetésből épült fel, célja pedig megfelelő infrastrukturális hátteret biztosítani az attofizikával kapcsolatos akadémiai és ipari kutatásoknak, mégpedig úgynevezett felhasználói létesítményként. Ez azt jelenti, hogy a berendezések nem csupán az intézet kutatói számára elérhetőek, hanem külsősök is kibérelhetik őket a kísérleteikhez, ami nem csak a tudásmegosztás szempontjából előnyös, de az intézmény fenntartási költségeihez is nagyban hozzájárul.

Az ELI-ALPS egyik lézere
Forrás: ilphotonics.com

Az ELI-ALPS-on kívül egy másik, az attofizika egészségügyi alkalmazásaira specializálódott kutatóintézet is létrejött, mégpedig maga Krausz Ferenc vezetésével: a Molekuláris Ujjlenyomat Kutató Központ (CMF), amely nemrég elindította a H4H, azaz Health for Hungary – Hungary for Health programot. Ennek keretében egy olyan ultrarövid (femto- és attoszekundumos) impulzusú lézertechnológia fejlesztése zajlik, amely egy komplex orvosi diagnosztikai eljárás alapjául szolgál majd.

A projekt lényege, hogy a kutatók – a kísérleti fázisban lévő – lézeralapú mérőeszközökkel monitorozzák az önkéntesektől vett vérmintákat. A cél, hogy átfogó képet kapjanak a vérben lévő molekulák összességéről, illetve koncentrációjáról, azonosítva ezzel az ún. molekuláris ujjlenyomatot, amely a vizsgált személyek egyéni jellemzője. A méréseket néhány havonta megismétlik, ellenőrizve, hogy történt-e bármi változás, és ha igen, felkutatják a mögöttes okot. Ahogy gyűlnek az adatok, a kutatók egyre pontosabb képet kapnak arról, hogy az egyes betegségek hogyan hatnak a vérképre.

Szemben a jelenleg használt diagnosztikai módszerekkel, amelyek egy-két marker alapján próbálják azonosítani a kóros elváltozásokat, a H4H-programban szimultán figyelik a vérben lévő összes molekulát. Ez azt jelenti, hogy ha a kísérletek sikeresnek bizonyulnak, a jövőben sokkal hamarabb és pontosabban detektálhatók lesznek a betegségre utaló jelek, figyelembe véve a páciensek szervezetének egyéni sajátosságait.

A várhatóan tíz évig tartó kutatás és adatgyűjtés nagyban hozzájárul az ún. személyre szabott orvoslás megvalósulásához, amikor a modern vizsgálati módszerek elegendő adatot szolgáltatnak a beteg genetikai jellemzőiről az elváltozások gyors felismeréséhez és ahhoz, hogy az orvos nagy biztonsággal válassza ki a számára leghatékonyabb terápiát. Ehhez azonban nem csak a betegségek tüneteit kell felismerni, hanem az azokhoz vezető molekuláris és sejtszinten lejátszódó eseményeket is. Éppen ezért az attofizika ilyen irányú alkalmazása többek között a rákkutatás egy fontos állomása lehet, hiszen e rettegett kór túlélésnek legfontosabb feltétele a korai diagnózis.

A cikk szerzője Csizmadia Eszter