Bemutatkozás

Az ELI-ALPS-ban rejlő kutatási potenciál a felhasználók számára

1. Attoszekundumos műszerek a vegyészet, biológia és nanotechnológia számára

Egyedi lézerrel meghajtott forrásainak köszönhetően az ELI Attoszekundumos Fényimpulzus Forrás (ELI-ALPS) olyan attoszekundumos nyalábokat hoz létre az XUV és a röntgen spektrális tartományokban, amelyek máshol nem állnak rendelkezésre. Az attoszekundumos impulzusok révén időfelbontásos, atomon vagy molekulán belüli elektrondinamikai kísérletek hajthatók végre, melyek bepillantást engednek a fontosabb molekuláris gerjesztések és kémiai reakciók időbeli alakulásába.

A molekulaszerkezet és annak időbeli alakulása képezik a kémiai és biológiai folyamatok mélyreható megértésének alapját. A lézertechnológia forradalmi fejlődése utat nyitott az olyan fényvillanások keltésének, amelyek az ultragyors mozgás egyes fázisait képesek megragadni a kvantummechanika szintjén. Az ultrarövid lézerimpulzus-technológia utóbbi időben végbement gyors fejlődésének köszönhetően váltak lehetővé az elektronok dinamikájára vagy az olyan fényindukált folyamatokra irányuló kísérletek, melyek a kötések felszakadásától a nagyobb kémiai és biológiai komplexek molekuláris átrendeződéséig terjednek. Készültek már femtoszekundumos felbontású „molekuláris filmek”, melyek feltárták a molekulák szerkezeti változásait. Az attoszekundumos felbontás ugyanakkor lehetővé teszi az elektronmozgás követését e rendszerekben, a molekuláris pályákról tomografikus felvételek készítését és számos további, korábban még elérhetetlen vizsgálati alkalmazás kiaknázását.

A jódmolekula (I2, felső) hasadása során egy elektron átadására kerül sor a gyűrűs molekulájú benzol (C6H6, alsó) felé. A femtoszekundumos lézerimpulzusok segítségével pillanatképek készíthetők a molekuláris reakciókról azok lefolyása közben. (J.S. Baskin és A.H. Zewail: Freezing atoms in motion: Principles of Femtochemistry and demonstration by laser stroboscopy – Nobel Prize Report, J. Chem. Ed. 78, 737 [2001])

Egy kémiai reakció sok esetben csak katalizátoranyagok jelenlétében valósulhat meg, illetve ilyen katalizátorok segítségével a reakció lefolyásának sebessége nagyságrendekkel növelhető. A reakciósebesség nagymértékű felgyorsítása miatt a katalizátorok rendkívül fontos szerepet töltenek be a vegyipar és számos mindennapi alkalmazás terén. A reakciók sebességének pontos szabályozásához, valamint katalizátoranyagok létrehozásához a folyamatok, köztük az ultragyors folyamatok és a gyorsan bomló közbenső termékek kölcsönhatásainak beható ismerete szükséges.

Az alapvető közbenső folyamatok ultragyors dinamikájáról jelenleg rendelkezésünkre álló ismeretek azonban meglehetősen korlátozottak.

Egy katalitikus folyamatot valós időben lehet majd tanulmányozni. Egy ismert (bemenő) reaktáns adszorbeálódik a felületre (balra). A vegyület reakcióját nulla időpillanatban egy pumpaimpulzussal lehet elindítani. A folyamat reaktív lépések láncolatának tekinthető, beleértve ebbe jelenleg ismeretlen köztes termékek kialakulását igen gyors töltéstranszfer útján, amit próbaimpulzusokkal lehet vizsgálni (>0 időpillanatokban, középen). Az ismert (kimenő) termék elhagyja a felületet (jobbra). (Scientific Needs for future X-ray sources in the US, LBNL SLAC white paper [2008]).

2. Alkalmazások a biológiai képalkotás területén

A funkcionális (élő vagy legalább in-vitro) körülmények között, biológiai anyagokról (sejtekről, sejtszervecskékről, sejten belüli struktúrákról), nanométeres mérettartományban készült nagy felbontású felvételek elengedhetetlenek a biológiai anyagokban fennálló szerkezet-funkció kapcsolatok megértéséhez. Ez magában foglalja a sejtek anyagcseréjének, a sejtmembránon keresztül zajló transzportfolyamatoknak, a sejtek közötti kommunikációnak és még számos egyéb folyamatnak a feltárását. Pillanatnyilag a nagy felbontású elektronmikroszkópia és a továbbfejlesztett konfokális fénymikroszkópia jelentik a bioanyagok ~1 nm-es térbeli felbontásig terjedő képalkotásának technológiai csúcsát, mely eljárások azonban a minták átfogó kriofixálását és/vagy festését teszik szükségessé, ezzel sokszor megváltoztatva vagy megmérgezve a mintastruktúrát. A 4,3 nm és 2,4 nm hullámhossz közötti ún. „víz-ablak” spektrális tartományban rövid hullámhosszúságú sugárzással végzett lágy röntgenmikroszkópia ugyanakkor kiegészítő módszerként lehetővé teszi a festetlen (viszont általában kriogenikusan hűtött) minták in-vitro képalkotását a festéssel járó műtermékek veszélye nélkül. A lágy röntgenmikroszkópiát ezenfelül egy integrált kettős üzemmódú műszer segítségével fénymikroszkópiával is ki lehet egészíteni.

A celluláris képalkotás mellett a biológiai makromolekulák angström alatti térbeli felbontással történő szerkezeti vizsgálata kiemelt fontossággal bír a proteomika és a gyógyszertudomány területén. A fehérjék és enzimek struktúra-funkció kapcsolatának feltárása alapvető fontosságú a betegségek biokémiai megértése és új gyógyszerek kifejlesztése és felfedezése tekintetében.

A kemény röntgensugarakat használó fehérje-krisztallográfia a makromolekulás kristályok szerkezeti vizsgálatának hatékony eszközévé vált, miközben az új koherens röntgendiffrakciós eljárásokat az ú.n. túlmintavételező finomítás („oversampling refinement”) algoritmusokkal együtt alkalmazva a közelmúltban lehetőség nyílt a nem kristályosított makromolekulák szerkezeti vizsgálatára is. Ezek az új koherens diffrakciós képalkotási technológiák különösképp a membránfehérjék szerkezeti vizsgálatában lehetnek hasznosak, mert azokat nehéz kristályosítani (ezért a fehérje kristályszerkezeti adatoknak csak egy kis töredéke mebránfehérje-szerkezet).

Egyetlen molekuláról felvételek készítéséhez ultrafényességű, rövid impulzusú röntgensugárra lenne szükség, mely elegendő információt képes begyűjteni a fehérje szerkezetéről, még mielőtt az az erősen ionizáló röntgenvillanás hatására keletkező Coulomb-robbanás miatt felbomlana. Az egyetlen molekula képi felvétele ennek megfelelően a szerkezeti biológia fejlődését eredményezné, miután valamennyi nem kristályosítható fehérje – azaz a gyógyászati szempontból lényeges proteinek többsége – szerkezete hozzáférhetővé válna.

A nyalábidő e területen történő kihasználásának előfeltétele kellően felhasználóbarát „víz-ablak” és keményröntgen-források kifejlesztése, így lehetővé téve, hogy ezekhez a vizsgálatokhoz két különálló felhasználói állomást állítsanak fel. A lehetséges felhasználók körébe a széles ipari és tudományos közösség sorolható.

3. Alkalmazások az orvostudomány területén

A nagy fényességű röntgenforrások orvostudományi alkalmazása a diagnosztikát és a terápiát egyaránt lefedi. A koherens röntgensugarak lehetővé teszik, hogy fáziskontraszt felvételek vagy 3D-s tomográfia segítségével az egészséges szövetek sűrűségéről vagy akár tumorszövetek szerkezetéről nagy felbontású képek készüljenek. Míg az amplitúdó-kontraszt kisebb tumorok (~1 mm) és kis elektronsűrűség-variációval rendelkező szövetek esetén nem rendelkezik kellően érzékeny jel-zaj viszonnyal, addig a fáziskontrasztos képalkotás magában hordozza egy károsodott szövet rákképződés előtti szakaszának nem áttétes fázisban történő detektálási lehetőségét is. A lézerrel meghajtott röntgenforrással végzett fáziskontrasztos képalkotás kísérleti bemutatására már alkalmaztak betatronforrást is. A fáziskontrasztos képalkotás mellett egyéb, a röntgensugár és anyag közötti kölcsönhatások is felhasználhatók képalkotás céljára. Erre jó példa a kis szögű röntgenszórás, mely szintén a koherens, kis divergenciájú röntgensugárral való megvilágításon alapul. A tervezett lézerforrással előállítható közepes infravörös (MIR) spektrális tartomány jól hasznosítható lesz számos orvostudományi alkalmazás esetén. A biomolekulák a 3–15 µm-es tartományban egyedi abszorpciós vonalakkal rendelkeznek, így egy megfelelően hangolt lézernyalábbal a molekulák szelektív gerjesztésére, detektálására vagy elbontására nyílik lehetőség. A lézeres fogászat, lézeres angioplasztika, endoszkópos submucosa disszekció és lézeres lithotripsia területei mind hasznosítani tudnák a MIR-impulzusok rövid időtartamát. Az ilyen a területekre irányuló vizsgálódásokat nagymértékben előrelendíti majd, hogy ezek a nyalábok az ELI-ALPS-nál viszonylag egyszerű kísérleti környezetben válnak majd elérhetővé.

4. Kutatások az energia területén – a napelemektől a mesterséges fotoszintézisig

Napjainkban a napelemek útján előállított elektromos energia költsége tizenötször magasabb, mint a hagyományos erőművek által biztosított energiáé. 

A napfény átalakításával nyert tiszta, megújuló és szén-dioxid-kibocsátást nem okozó energia iránti kereslet dinamikusan nő, a német tanácsadói testület globális energia-forgatókönyve szerint pedig 2050-re a teljes energiatermelés 20%-át a napelemes előállítás biztosítja majd (J. Luther, World in transition – towards a sustainable energy system, www.wbgu.de). Ezenfelül, a hatékony akkumulátortechnológia számos alkalmazási terület esetén nélkülözhetetlen, így pl. a hordozható elektronikus készülékek, elektromos járművek, emberi beültetésre szánt készülékek, valamint a megújuló és független energiatermelést lehetővé tevő energiatárolás területén. Továbbá ez jelenti az olajon alapuló technológiáról a töltés-tárolás-alapú technológiára való átállás egyik alappillérét is.

Hagyományos (balra) kontra többrétegű (jobbra) napelemek. A hagyományos napelemek esetén a félvezető tiltott sávjánál kevesebb energiát hordozó fotonok nem nyelődnek el. A több energiát hordozó fotonok a félvezető tiltott sávjának megfelelő elektromos energiává alakulnak át, míg az energiatöbblet hő formájában szabadul fel. Az általában használatos készülékek 10–15% körüli energiakonverziós hatékonysággal rendelkeznek. A többrétegű napelemek szélesebb napfényspektrumot lefedő, különböző tiltott sávokkal rendelkező anyagok felhasználásával egymásra rétegezett egyszerű napelemekből állnak a jobb energiakonverzió érdekében. A jelenleg elérhető legnagyobb konverziós hatékonyság 40% felett van, melyet három átmenetes napelemmel értek el (Spectrolab solar cell breaks 40% efficiency barrier, Inside Green Tech, December 7 [2006]).

Az ELI-ALPS a kémiai változások, reakció útvonalak és az atomi és molekuláris szintű kinetika időfelbontásos, valós idejű képalkotási eszközeként a modern napelemes és akkumulátoros alkalmazások anyagainak és folyamatainak vizsgálata révén járulhat hozzá a kívánt módszertanok kidolgozásához.

A szén-dioxidból és vízből nyert üzemanyagok előállítását célzó, látható fénnyel gerjesztett mesterséges fotoszintetizáló rendszerek akár egy széntől független energiarendszer kialakításához is elvezethetnek. A gazdasági szempontból ésszerű, a természetes fotoszintézist „másoló” fotoszintetikus rendszerek kifejlesztéséhez az ilyen összetett molekuláris rendszerek működésének mélyreható ismerete szükséges. Az ELI-ALPS a megfelelően hangolható és nagy ismétlési frekvenciájú, széles spektrális tartományokat lefedő impulzusok révén a komplex fotoszintetizáló rendszerek molekuláris és elektronikus szerkezetének mérését, illetve a vegyértékelektronok töltéseloszlásának valós idejű, femto- és attoszekundumos időskálán történő nyomon követését teszi lehetővé.

5. Nagy energiájú fotonika

Az ELI-ALPS fejlesztő testbed környezetet szolgáltat a nagyenergiájú, rövid impulzusú lézeres rendszerek ipari partnerek számára történő kifejlesztéséhez laboratóriumi méretekben. Miközben a PW-osztályú lézerek már kezdenek megjelenni a piacon, az ELI-ALPS optimális eszköz e technológiák tesztelésére és továbbfejlesztésére, akár a Ti-zafír lézertechnológián, akár az optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítésen (OPCPA) alapuló koncepciók alapján, továbbá az ilyen lézertípusokhoz való nagyenergiájú optika tesztelésére is.

Partnereinket arra is biztatjuk, hogy helyi fejlesztőlaboratóriumokat nyissanak a szomszédos tudományos és technológiai parkban. Az ELI által nyújtott létesítmények és nyalábidő rugalmasan használhatók majd fel különböző fejlesztési célokra, köszönhetően az erősített PW-skálájú infravörös nyaláboknak (lásd a fenti forrástáblázatot) és a csak itt megvalósuló gerjesztőlézer-forrásoknak– melyek valószínűleg a diódával pumpált szilárdtestlézer (DPSSL) technológián fognak alapulni.

A Rutherford Appleton Laboratóriumban (Egyesült Királyság) alkalmazott PW-osztályú lézeres rendszer felhasználói felülete és egy nagyméretű rács a PW-osztályú lézerimpulzusok időbeli összenyomásához (a Központi Lézertechnológiai Létesítmény honlapja, http://www.clf.rl.ac.uk)

6. Információtechnológia, anyagtudomány és nanotudomány

A nagy fényességű és hangolható hullámhosszúságú rövid hullámhosszú besugárzás anyagtudományi alkalmazása a kémiai/elemi felületanalízisben, így például a röntgenes fotoelektron-spektroszkópia (XPS, ESCA) vagy a röntgen-fluoreszcenciás analízis területén jelenik meg. A forrás nagy fényességével kapcsolatos magas követelmények („fotonfaló” kísérletek) különösen akkor állnak fenn, amikor az előbbi spektroszkópiai módszereket nano-méretarányú térbeli felbontással egészítik ki a nanospektroszkópia vagy a spektromikroszkópia területén, például a Nano-ESCA (XPS nano-méretarányú térbeli felbontással) vagy röntgen fotoelektron-kibocsátás mikroszkópia (X-PEEM) esetén. Az optimális követelmény egy lágy és kemény röntgensugár üzemmódban egyaránt hangolható, nagymértékben monokromatikus fényforrás lenne. Egy laboratóriumi méretezésű Nano-ESCA műszer kiváló eszköz lehet az anyagtudomány területén történő különböző mérések végrehajtásához – a félvezetők fizikájától és az elektronikus sávstruktúra képalkotástól egészen a mágneses anyagok és mágneses domének cirkulárisan polarizált röntgensugárzással történő vizsgálatáig. Egy ilyen készülék olyan mérések elvégzését tenné lehetővé, melyek jelenleg kizárólag szinkrotron létesítményekben hajthatók végre a kísérlet nagy fényintenzitás igénye miatt.

Ehhez egy ilyen felhasználói állomás felállítása szükséges, és erre a 3.2. pontban leírtakkal azonos időbeli korlátok vonatkoznak.

Az extrém ultraibolya litográfiát (EUVL) tekintik a legígéretesebb következő generációs litográfia-technológiának a 32 nm és az alatti kritikus méretekkel rendelkező logikai és memória félvezető-eszközök nagy mennyiségben történő gyártásához. A technológia alapját egy inkoherens, nagy teljesítményű extrém ultraibolya-forrás, kondenzátor optika és egy mindenhol tükröző, többrétegű bevonattal bíró képalkotó objektív jelentik. Az EUVL egyik legnagyobb kihívása a hibamentes, többrétegű bevonattal ellátott visszatükröző maszkok kivitelezése. Bizonyítást nyert, hogy számos alapvető hibát csak litográfiai hullámhosszúságon (13,5 mm) folytatott (aktinikus) vizsgálattal lehet feltárni, mivel a távoli ultraibolya tartományban már kidolgozott vizsgálati módszerek elől azok rejtve maradnak. Ezért különböző aktinikus mikroszkópos vagy szórásos eljárásokat dolgoztak ki az EUVL maszkok megmunkálás előtti hibáinak a bemérésére és észlelésére akár a 30 nm alatti mérettartományban is. Ehhez hasonló eljárások (a nano-fókuszált EUV-nyalábok sötétmezőben való szórásán alapuló egyéb technikákkal együtt) ez idáig csak szinkrotronsugárzás-tárológyűrűkben (BESSY 2, ALS) voltak elvégezhetők, viszont a félvezető litográfiai laboratóriumok tisztaszoba-környezetébe történő integrációra szükség van ahhoz, hogy ezeket a - koncepciót bizonyító - eszközöket kereskedelmi forgalomban lévő EUV metrológiai műszerekké alakítsák át. Ez az integráció a nagy fényességű laboratóriumi EUV-forrás meglététől függ, amit nagy ismétlési frekvenciájú magasrendű harmonikus keltéssel lehet megvalósítani.

EUV litográfiai rendszer a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban (S. Hunter, Keeping the “More” in Moore’s Law, Science and Technology Review of the Lawrence Livermore National Laboratory, pp. 24-26, March 1998)

7. THz technológiák és alkalmazások

A THz spektrális tartomány a mikrohullámú és az infravörös sugárzás közötti területet tölti ki, ami a multidiszciplináris tudományok számára kiemelt tudományos és technikai érdekességgel bír. A THz technológiát már napjainkban is széles körben alkalmazzák különféle objektumok képalkotására a félvezető iparágban, a biztonságtechnikában, a kulturálisörökség-védelemben és számos egyéb területen.

Ezen elterjedt alkalmazásokon felül az ELI-ALPS egyedi, nagyintenzitású, az elsődleges lézerforrásokhoz pontosan szinkronizált, impulzusüzemű THz-sugárforrásokat fog nyújtani. 

A világelső, házon belüli szakértelem eredményeképpen akár minden korábbinál magasabb, 100 MV/cm elektromos csúcs-térrősségű és sok mJ impulzusenergiájú, a 0,1–10 THz frekvenciatartományba eső nagy intenzitású ultrarövid THz-források válnak elérhetővé. A fentieknek köszönhetően lehetőség nyílik a spektroszkópiai vizsgálódások egészen új fajtáira, valamint anyagi kölcsönhatások vizsgálatára a felgyorsított részecskéktől a molekulákon át a nanostruktúrákig. Az ELI-ALPS-nál rendelkezésre álló különböző – a röntgentől egészen az infravörös hullámhosszúságokig terjedő – források és az ultrarövid impulzus időtartamok kombinációjával eddig nem látott szerkezeti és dinamikai kutatások lefolytatására nyílik lehetőség.

Az időfelbontásos eljárások új fajtái közé tartozik a THz-gerjesztő–THz-mérő és a THz-gerjesztő–optikai mérő spektroszkópia, ahol az intenzív THz-impulzusokat a mintában történő változások elindítására használják fel, majd a THz- vagy optikai impulzusokat e változások észlelésére alkalmazzák. A technológia egyik fontos alkalmazási területének tekinthető a töltéshordozó-dinamika vizsgálata félvezetőkben. Az impulzusüzemű THz elektronspin-rezonancia (ESR) technika segítségével biológiai molekulákban bekövetkező szerkezeti változások tanulmányozása is lehetségessé válhat.

THz-sugárzás keltése a bakteriorodopszin molekulában történő töltésátrendeződési folyamatok útján. (G. I Groma at al., Proc. Nat. Acad. Sci. 105 [2008] 6888-6893).

Az anyagi tulajdonságok és -folyamatok extrém erős kvázi-sztatikus (THz) mezők hatása alatt történő vizsgálata és szabályozása új anyagtechnikai lehetőségeket rejt magában. A THz frekvenciatartományba eső erős külső elektromos tér hatása alatt újfajta betekintést nyerhetünk a molekulák, klaszterek, nanoszerkezetek és térfogati anyagok dinamikai tulajdonságaiba, vizsgálhatjuk és manipulálhatjuk őket, illetve azon fizikai, kémiai és biológiai folyamatokat, melyekben részt vesznek. A biomolekulák különböző konformációs állapotban történő időfelbontásos vizsgálatára például a THz-mezők és az optikai impulzusok kombinálásával van lehetőség. A kémiai reakciók útvonalainak szabályozására ugyancsak lehetőség nyílik majd.

Ezen intenzív források használatával a THz idő-tartomány spektroszkópia képalkotási eljárásokkal kapcsolható össze, így pedig akár nagyméretű minták is vizsgálhatók 2D-s elektro-optikai mintavételezéssel anélkül, hogy a minta felületének időigényes letapogatására lenne szükség. A többspektrumú, egylövéses képalkotás érdekes új eszköz a nem destruktív tesztelés és egyéb alkalmazások, például a különböző vegyi anyagok térbeli mintáinak leképezése tekintetében. 

Az intenzív THz-sugárzás nem destruktív tesztelésre, biztonságtechnikai szűrésre és biogyógyászati alkalmazásokra is használható, melyek esetén a tesztelt objektumok vegyi összetételének elemzése is fontos, a belső szerkezetek geometriai alakzatának vizualizálása mellett. Miután számos anyag spektrális „ujjlenyomatokat” mutat a THz-tartományban, ezért az ebben a tartományban végzett spektroszkópiai analízis az anyagtulajdonságok meghatározására használható új eszközként ugyancsak érdeklődére tarthat számot.