@PteFiz PTE TTK Telefonkönyv Neptun hallgató Neptun oktató eLearning Gamma
Kutatási témák

Bevezető

A kutatásban igyekszünk kihasználni az extrém nagyenergiájú terahertzes impulzusok előállításában kivívott világviszonylatban vezető szerepünket. Idehaza ezen a területen monopóliumunk van, ez lehetőséget és kötelességet is jelent, amelynek igyekszünk megfelelni. A nagyenergiájú terahertzes impulzusokat elsősorban szilárdtesfizikai kutatásokra és töltött részecskék manipulálására fogjuk használni. Ez utóbbi terület szorosan kapcsolódik az ELI-ALPS-hoz. Kutatásainkat nemcsak az OTKA támogatja, de egy speciális, az ELI-ALPS magvalósítását támogató kutatási projekt, a hELIos is. Ebben a témakörben szándékozunk beadni TÁMOP pályázatot is, amelybe a PTE-ÁOK-t, a Dresdai Helmholtz-központot (HZDR), és a svájci Paul Scherer Intézetet is bevonjuk kutatási partnerként.

Az eddig sikeresen művelt más kutatási területeket is folytatni kívánjuk. Az elméleti fizikai kutatásaink átstruktúrálódása várható a közeljövőben. Szeretnénk legalább egy, ambiciózus, önálló kutatási irány megteremtését célul kitűző kutatót alkalmazni ezen a területen.

Terahertzes és femtoszekundumos nemlineáris optika

Terahertzes sugárzás

A terahertzes (THz-es) sugárzás - csakúgy, mint a rádióhullámok vagy a fény - az elektromágneses hullámok egy fajtája. Rezgési frekvenciája jellemzően a 0,3-30 THz, hullámhossza az 1-10 mm tartományba esik, ami a mikrohullámok és az infravörös sugárzás tartománya között található az elektromágneses spektrumban. 1 THz = 1012 Hz , azaz másodpercenként 1 000 000 000 000 rezgés.

A THz-es sugárzás alkalmazási területei közé tartozik többek között az anyagtudomány, a biológia, az orvosi diagnosztika és a biztonságtechnika. Szerves molekulák jól azonosíthatók THz-es spektrumuk alapján, amely a molekulák konformációjára és hidratációs (vizes környezetbeli) állapotára is érzékeny lehet. Az alkalmazási lehetőségeket jelentősen bővíti, hogy a THz-es tartományban - szemben a jóval nagyobb frekvenciájú optikai sugárzással - könnyen mérhető az elektromos tér időbeli lefutása. Erre alkalmas módszer az elektro-optikai mintavételezés.

Terahertzes impulzusok keltése

A THz-es tudomány viszonylag új, mintegy két évtizedes múltra visszatekintő multidiszciplináris tudományterület. A THz-es vizsgálatok széleskörű kiterjesztését a femtoszekundumos lézereken alapuló THz források megjelenése tette lehetővé (1 femtoszekundum = 1 fs = 10-15 s). Ezek közé tartozik egy nemlineáris optikai folyamaton, az optikai egyenirányításon alapuló THz forrás is, amellyel igen rövid, akár egyetlen oszcillációs ciklusból álló THz-es impulzusok kelthetők (1. ábra).
Egyetlen oszcillációs ciklust tartalmazó THz-es impulzus elektromos térerőssége (piros görbe) és amplitúdó-spektruma (kék görbe).

Extrém nagyenergiájú terahertzes impulzusok előállítása

A döntött intenzitásfronttal pumpált optikai egyenirányításon alapuló THz keltés módszerének továbbfejlesztéseként számítások segítségével kimutattuk, hogy az eddig használt 100 fs helyett 500 fs hosszúságú pumpáló impulzusokat, és az impulzusfront döntésére optimalizált elrendezést használva akár több mJ energiájú THz-es impulzusok is előállíthatók lesznek a közeljövőben [2].

A németországi Kvantumoptikai Max Planck Intézettel együttműködve kísérletileg is megmutattuk, hogy hosszabb pumpáló impulzusokat használva a THz energia jelentősen megnövelhető. A rendelkezésre álló - optimálisnál hosszabb - 1300 fs-os pumpáló impulzusokkal az eddigi legnagyobb energiájú, 125 µJ-os THz-es impulzusokat sikerült előállítani az eddigi legnagyobb, 0,25%-os hatásfokkal [3].

Milijoule nagyságrendű energiával rendelkező THz-es impulzusok nyalábjának lefókuszálásával akár 100 MV/cm nagyságú elektromos térerősség is előállítható lesz 1 THz frekvencia környékén. Ez a jelenleg elérhetőnél két nagyságrenddel nagyobb térerősség számos egészen új alkalmazás lehetőségét fogja megnyitni. A legizgalmasabbak közé tartozik töltött részecskék manipulálása, pl. protonok gyorsítása, ami - lézeres protongyorsítással kombinálva - új lehetőségeket teremthet a daganatos betegségek hadronterápiás kezelésében [4].

Válogatott publikációk
  1. J. Hebling, G. Almási, I. Z. Kozma, and J. Kuhl, "Velocity matching by pulse front tilting for large-area THz-pulse generation", Opt. Express. 10, 1161 (2002)
  2. J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, M. C. Hoffmann, and J. Hebling, "Towards generation of mJ-level ultrashort THz pulses by optical rectification", Opt. Express. 19, 15090 (2011)
  3. J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, S. Klingebiel, G. Almási, F. Krausz, S. Karsch, and J. Hebling, "Generation of Sub-mJ Terahertz Pulses by Optical Rectification", Opt. Lett. 37, 557-559 (2012)
  4. "THz pulse technology brings new hope to cancer sufferers", Science, Technology and Innovation Projects 25, 50 (June 2011)
A Nagyintenzitású Terahertzes Laboratóriumról bővebben itt olvashat.

Kvantumoptika és kvantuminformatika

A csoport tagjai

  • Dr. Ádám Péter, csoportvezető, egyetemi docens
  • Dr. Mechler Mátyás Illés, egyetemi adjunktus
  • Bódog Ferenc, tudományos segédmunkatárs
  • Volt tagok:
    • Dr. Janszky József, akadémikus, professor emeritus (1943-2018)
    • Mogyorósi Gábor, tudományos segédmunkatárs
    • Molnár Emese, tudományos segédmunkatárs
    • Varga Árpád, tudományos segédmunkatárs

Periodikus egyfoton-források

Számos kvantumoptikai és kvantuminformatikai kísérlet és eljárás megvalósításához szükség lenne egy egyfoton-állapotokat szolgáltató haladóhullámú rendszerre. A gyakorlati felhasználás szempontjából az ideális egyfoton-forrás egymódusú, periodikus és megkülönböztethetetlen fotonokat ad. A leggyakrabban vizsgált források a spontán parametrikus lekonverzió (SPL) folyamatára épülnek. Ezekben térbeli és időbeli multiplexeléssel érhető el az ideálishoz közeli működés.

Kutatásaink célja a multiplexelt SPL források elméletének továbbfejlesztése és olyan eljárások kidolgozása, amelyekkel a kísérletileg megvalósítható források egyfoton-valószínűsége növelhető. Eredményeink hozzájárulnak a gyakorlatban alkalmazható egyfoton-források kifejlesztéséhez.

Válogatott publikációk:
  1. F. Bodog, P. Adam, M. Mechler, I. Santa, and M. Koniorczyk, "Optimization of periodic single-photon sources based on combined multiplexing", Phys. Rev. A 94, 033853 (2016)
  2. P. Adam, M. Mechler, I. Santa, and M. Koniorczyk, "Optimization of periodic single-photon sources", Phys. Rev. A 90, 053834 (2014)

A fény nemklasszikus állapotainak haladóhullámú előállítása

A fény nemklasszikus állapotainak előállítása alapvetően fontos különböző kvantumoptikai rendszerek működéséhez és bizonyos kvantuminformatikai eljárások megvalósításához. Az ilyen állapotok szükségesek az optikai kvantumkommunikációhoz, és eredményesen felhasználhatók a méréstechnológiában. Nevezetes nemklasszikus állapotok például a fotonszámállapotok, fotonszámállapot- és koherens állapot-szuperpozíciók, az amplitúdó-összenyomott, valamint a Schrödinger-macska állapot.

Kutatásaink célja a fény nemklasszikus állapotainak haladóhullámú előállítására kísérletileg megvalósítható, a gyakorlatban alkalmazható eljárások kidolgozása. Különösen érdekesek az olyan rendszerek, amelyekkel több nemklasszikus állapot is előállítható. Kutatásainkban felhasználjuk a koherens állapot reprezentációk területén korábban elért eredményeinket.

Válogatott publikációk:
  1. G. Mogyorosi, P. Adam, E. Molnar, and M. Mechler, "Single-step quantum state engineering in traveling optical fields", Phys Rev A 100, 013851 (2019)
  2. G. Mogyorosi, E. Molnar, M. Mechler, and P. Adam, "Single-Step Traveling-Wave Quantum State Engineering in the Coherent State Representation", J. Russ. Laser Res. 39, 448 (2018)
  3. E. Molnar, P. Adam, G. Mogyorosi, and M. Mechler, "Quantum state engineering via coherent-state superpositions in traveling optical fields", Phys. Rev. A 97, 023818 (2018)
  4. P. Adam, E. Molnar, G. Mogyorosi, A. Varga, M. Mechler, and J. Janszky, "Construction of quantum states by special superpositions of coherent states" (invited paper), Phys. Scr. 90, 074021 (2015)
  5. P. Adam, M. Mechler, V. Szalay, and M. Koniorczyk, "Intelligent states for a number-operator–annihilation-operator uncertainty relation", Phys. Rev. A 89, 062108 (2014)

Lágyröntgenlézer és plazma alapú hullámvezetők

A csoport tagjai

  • Dr. Kuhlevszkij Szergej, vezető kutató, egyetemi tanár
  • Dr. Sánta Imre, nyugalmazott egyetemi docens
  • Dr. Sapolov Anatolij, tudományos munkatárs
  • Kiss Mátyás, PhD hallgató
  • Fekete Balázs, PhD hallgató
  • Volt tagok:
    • Dr. Szász János Péter, tudományos munkatárs

Kapilláris lágyröntgenlézer

A lágyröntgenlézer egy különleges koherens fényforrás, működési elve és a lézer fény rövid hullámhossza (46.9 nm) tekintetében. A rövidebb hullámhosszú átmenetekhez szükséges gerjesztéséhez egyre nagyobb pumpáló energiára van szükség. Másrészt, hagyományos rezonátor nem készíthető, mert vákuum ultraibolya spektrális tartományra ugyan léteznek 40-60% reflexióképességű többrétegű tükrök, de a kapilláris kisülés során keltett forró plazma elégetné néhány lövés után. Továbbá a gerjesztett ionok élettartama sem tartható fenn sokkal hosszabb ideig, mint az egyszeri átfutási idő. Ezért az ilyen típusú impulzuslézerek az úgynevezett erősített spontán emisszió (ASE) elvén működnek. A gerjesztés hatékonyságának növelése érdekében a kutatások során jellemzően a betáplált energiasűrűséget próbálták növelni. A mi gerjesztőrendszerünk a Z-pinch effektusát használja fel, ami akkor következik be, ha a kapilláris plazmában folyó egyre növekvő áramimpulzus (13-20 kA) mágneses mezejében a Lorentz-erő hatására a plazmacsatorna tengelye mentén sugár irányban összehúzódik.

Plazma alapú hullámvezetők

A plazma alapú hullámvezetők alternatívát kínálnak az elektrongyorsítás kutatás területen. A plazmadinamikai számítások és szimulációk igazolják, hogy az egyre növekvő áramimpulzus lökéshullámot kelt az elektronsűrűség-eloszlásban, mely a kapilláris falától a tengely felé terjed. Így a tengely közelében (néhány száz mikron távolságon) kialakulhat egy meredek, konvex, ideális esetben "parabolikus" elektronsűrűség profil. Mivel a plazma törésmutatója az elektronsűrűség függvénye, így a törésmutató is sugárirányban folytonosan változik. A plazmaoszlop ezen tulajdonsága néhány nanoszekundumig áll fenn. Ez idő alatt a plazma úgy viselkedik, mint egy folytonosan változó törésmutatójú optikai szál (graded index fiber), mely kulcsfontosságú a becsatolt gyorsító lézerimpulzus stabilizálásában. Sőt, kellően rövid és nagy intenzitású lézerimpulzus képes elektronokat gyorsítani a nemlineáris ponderomotoros erő által (ébredő tér gyorsítás, wakefield acceleration).

Válogatott publikációk:
  1. A. A. Shapolov, M. Kiss, and S. V. Kukhlevsky, "A Simplified MHD Model of Capillary Z-Pinch Compared with Experiments", Contrib. Plasma Phys. 56, 10, 959-967 (2016)
  2. J. Szasz, M. Kiss, I. Santa, S. Szatmari, and S. V. Kukhlevsky, "Magnetoelectric Confinement and Stabilization of Z Pinch in a Soft-X-Ray Ar+8 Laser", Phys. Rev. Lett. 110, 183902 (2013)
  3. J. Szasz, M. Kiss, I. Santa, S. Szatmari, and S. V. Kukhlevsky, "Critical Parameters of the Pumping Scheme of Ar+8 Lasers Excited by Z Pinches in Long Capillaries", Contrib. Plasma Phys. 52, 770 (2012)
  4. S. V. Kukhlevsky, A. Ritucci, I. Z. Kozma, J. Kaiser, A. Shlyaptseva, G. Tomassetti, O. Samek, "Atomic Model Calculations of Gain Saturation in the 46.9 nm Line of Ne-like Ar", Contrib. Plasma Phys. 42, 1, 109–118 (2002)

Lézerek a kulturális örökség védelmében

Kutatási témavezető

  • Dr. Márton Zsuzsanna, egyetemi docens

Rövid áttekintés

A lézereket azóta használják a restaurátori gyakorlatban, mióta John Asmus 1972-ben demonstrálta, hogy lézerimpulzusokkal szelektíven eltávolítható a szennyeződés kőfelületekről. Az azóta megjelent nagyszámú tudományos publikáció és esettanulmány alapján mára egyértelmű, hogy a lézerek hasznos és megbízható eszközei a restaurátoroknak.

A PTE Fizikai Intézet 2005 óta kezdeményez együttműködéseket a lézerek alkalmazására a kulturális örökségvédelemben. 2006-ban a nemzetközi EUREKA EULASCAN programban kapott támogatást a mások mellett a Szépművészeti Múzeumot és a Magyar Restaurátorok Egyesületét is tagjai közt tudó konzorciumunk, majd a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0002 pályázat tette lehetővé a mobil, speciális kialakítású Thunder Art Nd:YAG lézer beszerzését. Az infrastrukturális háttér, a felhalmozódott gyakorlati tapasztalat és a restaurátorok, fizikusok, régészek között kialakult interdiszciplináris kapcsolatok jó alapot szolgáltatnak a lézeres módszerek elterjedésének a magyarországi restaurátori gyakorlatban.

Fő kutatási területek:

Elméleti mag- és részecskefizika

Kutatási témavezető

  • Dr. Korpa Csaba, egyetemi tanár

Hadronok közegbeli tulajdonságainak vizsgálata kvantumelméleti módszerekkel

Az erősen kölcsönható részecskék (mezonok és barionok) nukleáris közegbeli tulajdonságaink kísérleti és elméleti vizsgálata az utóbbi két évtizedben került a magfizikai kutatások középpontjába, többek között az anyag egy új állapotának, a kvark-gluon plazma előállításának lehetőségével kapcsolatban. A darmstadti Gesellschaft für Schwerionenforschung kutatóival (Matthias Lutz, Felix Riek, Matthias Möller) a ritka kvarkot tartalmazó mezonok (antikaonok) és barinok (hiperonok) tulajdonságainak vizsgálatára fejlesztettünk ki egy új, projekciós operátorokon alapuló leírási módszert, amely lehetővé tette mezonok és barionok önkonzisztens meghatározását a nukleáris közegben. Az utóbbi pár évben az eljárás további pontosítása után a legkönnyebb (azaz pi-) mezon és a nukleon gerjesztett állapotának (delta-barion) közegbeli vizsgálatával foglalkoztunk. Teljes mértékben relativisztikusan kovariáns, önkonzisztens számításokkal meghatároztuk a pi-mezon és a delta-barion közegbeli spektrálfüggvényét (energia eloszlását az impulzus függvényében), valamint a kísérleti eredményekkel összevethető gamma-fotonok nukleárisabszorpciójának keresztmetszetét.
A négy panel a pi-mezon közegbeli eloszlásának (spektrálfüggvényének) körvonalrajzát tartalmazza, különböző számítási paraméterekre.
A nukleáris fotoabszorpció kiszámított hatáskeresztmetszete (a piros, kék, zöld vonal kis mértékben eltérő paraméter értékeknek felel meg), összehasonlítva a méréseredményekkel (hibahatárokat tartalmazó pontok).