„Az üregből lassacskán egy púpos alakzat emelkedett ki. Úgy tűnt, hogy valami kísérteties fénysugár röppent ki belőle (...). A marsbeliek (...) valami úton-módon olyan térben, amely egyáltalán nem hővezető, intenzív meleget képesek előállítani. Ezt a meleget párhuzamos sugarakban vetítik bármely tetszésük szerinti tárgy felé, csiszolt, parabola alakú tükör segítségével” – vízionált a földönkívüliek Londonba érkezése nyomán apokalipszist H.G.Wells angol író Világok harca című, a műfaj klasszikusának számító 1898-as tudományos-fantasztikus regényében. Wells „kísérteties fénysugarát” a több mint fél évszázaddal később felfedezett lézer előfutáraként jegyzi az utókor. 

Az idén májusban 55 éves igazi lézert a valóságban inkább építő jelleggel, kutatási, gyógyítási vagy anyagmegmunkálási célokra vetik be. A technológia mára nemcsak kutatólaboratóriumok ezreinek, speciális szerszámokat, például lézeres hegesztő- és fúrógépeket használó műhelyeknek nélkülözhetetlen kelléke, hanem – nyomtatók, CD-lejátszók formájában – a legátlagosabb otthonoknak, irodáknak is tartozéka.

A meglehetősen távoli alkalmazási területeken is helyt álló lézerek közös tulajdonsága, hogy időben és térben koherens fényt adnak, amely szinte egyáltalán nem szóródik. A nyaláb ráadásul egyszínű, vagyis az azt alkotó elektromágneses hullámok hossza közel azonos (a látható fény egy adott spektrális tartományába esik).

Lézerlabor világszínvonalon

A háztartási és szerszámgépek lézerei azonban legfeljebb a kistestvérei lehetnének annak, amelyet a Szegeden 68 milliárd forintból épülő hipermodern kutatólaboratóriumban fognak használni. A szegedi létesítménnyel egy időben egy Bukarest melletti és egy Prága környéki kisvárosban is felhúznak egy-egy szuperlézerekre alapuló kutatóközpontot.

Előbbiben magfizikai kutatásokat végeznek majd, míg a cseh szuperlézert a tervek szerint elsősorban részecskegyorsításra fogják használni. A magyar központot tavaly ősszel kezdték építeni, három év múlva mindhárom uniós támogatással létrejövő intézmény teljes üzemmódba állhat. A szegedi ELI-ALPS összesen 10-12 milliárd forintos lézerrendszerei elsősorban az úgynevezett attoszekundumos kutatásokban jeleskednek majd.

Arra sokat kell még várni, hogy lézerrel komplett atomtemetőket semlegesítsenek

A fiatal tudományterület, az attofizika lelke nagyon leegyszerűsítve az, hogy a vizsgálati anyagokat extrém rövid, az attoszekundumos tartományban, vagyis a másodperc trilliomod (10⁻¹⁸) részében mérhető impulzusokban érkező lézerfénnyel sugározzák be. „Ahogy az amúgy kellemesen meleg Nap sugárzása gyújtószikrává sűríthető a térben koncentrálva egy gyűjtőlencse segítségével, úgy fokozható az időben sűrített lézerimpulzus intenzitása” – magyarázza Farkas Győző, a Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpontjának nyugalmazott fizikusprofesszora, miként állítható a lézerfény atomi szerkezetek vizsgálatának a szolgálatába.

A szó szoros értelmében pillanatnyi, szemmel természetesen követhetetlen időtartamú felvillanások lehetővé teszik, hogy a lézerimpulzus teljesítménye elérje a petawattos (a watt billiárdszorosára rúgó), vagy akár a három nagyságrenddel nagyobb exawattos tartományt is. Egy átlagos CD-lejátszóban működő lézer legfeljebb néhány milliwattos teljesítményre képes, de még az orvosi műtétekhez használt lézerek sem erősebbek száz wattnál, az ipari lézervágók is legfeljebb 2-3 ezer watt teljesítményűek.

Korántsem véletlen, hogy épp Magyarország ad otthont az attofizika új európai fellegvárának, az attoszekundumos kutatásoknak ugyanis nagy hazai hagyományai vannak. Az ultrarövid lézerimpulzusokat például magyar kutatóknak sikerült elsőként előállítaniuk az ezredforduló környékén.

Rájöttek, hogy a felvillanások időtartamát egy ponton túl azért sem sikerül tovább rövidíteni, mert az elektromágneses hullámok hossza még az amúgy egyszínű lézernyalábban is eltér valamelyest. Egy szín ugyanis nem egyetlen hullámhosszot, hanem a látható fény teljes spektrumának nagyjából 50-150 nanométert lefedő tartományát jelenti. 

A mai csúcsteljesítményű, titán-zafír kristállyal működő lézerekben például az attoszekundumnál hosszabb időtartamú, úgynevezett femtoszekundumos impulzusok spektrális tartománya 720-tól 950 nanométerig terjedhet. Hasonlóan azokhoz a koncentrikus körökhöz, amelyeket egy vízbe csapódó kavics gerjeszt – hoz szemléletes példát Osvay Károly fizikus, a szegedi ELI-ALPS Lézeres Kutatóközpont megvalósítását felügyelő ELI-hu Nonprofit Kft. kutatási technológiai igazgatója –, miközben a lézerimpulzus keletkezése pillanatában egyetlen elektromágneses hullám indul el, az időben előre haladva további (ugyanazon spektrális tartományba eső) hullámok keletkeznek. A nüansznyival hosszabb hullámok viszont gyorsabbak, mint a néhány nanométerrel rövidebbek.

Ez az amúgy még műszerekkel is szinte észlelhetetlen széttartás arra épp elég, hogy megakadályozza a lézerimpulzus attoszekundumokba sűrítését. A problémát végül – Wells utóbb váteszinek bizonyult fikcióját idéző módon – speciális, úgynevezett csörpölt tükrökkel sikerült kiküszöbölni. Utóbbiak a fényhullámokat még a berendezésből való kilépésük előtt újra összeterelgetik, a napsugarakat összegyűjtő lencse módjára időben koncentrálják – egyszerűsíti könnyen érhetővé a felfedezésük lényegét a már idézett Farkas professzor. 

A fényhasznosítás jövője

A koncentrált lézer – elméletileg – olyan mértékű részecskegyorsításra lehet például képes, amelyet manapság a részecskefizikusok Mekkájának számító CERN Nagy Hadronütköztetőjében (LHC) hoznak létre. Miközben azonban az LHC lelke egy 27 kilométer átmérőjű – föld alatti – gyorsítógyűrű, egy hasonló hatásfokú, egyelőre csak hipotetikus lézeres részecskegyorsítóhoz elég lenne egy szoba, esetleg egy nagyobb asztal. Egy efféle „kompakt” részecskegyorsítónak a gyakorlatban is nagy hasznát lehetne venni.

Megreformálná, de mindenképp könnyebben elérhetővé tenné például az úgynevezett hadronterápiát. A gyorsított nehézrészecskékkel (neutronokkal, ionokkal) végzett speciális sugárterápia jelenleg nagyjából másfélmillió eurót kóstál, így csak elvétve „írják receptre”. Még akkor is, ha olyan daganatok esetében is bizonyított, amelyeknél a hagyományos sugárterápia gyakran csődöt mond. A szokásos eljárásnál ráadásul lényegesen jobban kíméli az egészséges szöveteket.

A központ elsősorban az attoszekundumos kutatásokban jeleskedik majd

Nagyobb azonban az esélye, hogy a szegedi szuperlézer még évtizedekig „csak” az alapkutatásokat szolgálja majd ki. Az ultrarövid lézerimpulzusok biztosan jók például arra, hogy atomok protonokra és elektronokra szakadását vagy molekulák formálódását idézzék elő biológiai mintákban. Így mérhetővé válik a kémiai kölcsönhatások időtartama, pontos helye, optimális feltételei. Erre alapozva később nagyobb eséllyel tervezhetnek például olyan gyógyszereket, amelyek hatóanyagait a gyártásuk során lézerekkel úgy módosítják, hogy elődeiknél gyorsabban, vagy csak ott hassanak, ahol arra tényleg szükség van.

Egyelőre legfeljebb tudományos-fantasztikus történetekbe illenek azok a remények, amelyeket a lézerek környezetvédelemben betöltendő jövőbeli szerepéhez fűznek. Arra ugyanis minden bizonnyal sokat kell még várni, hogy a lézerekkel – viszonylag gazdaságosan – gyorsított részecskék segítségével komplett atomtemetőket semlegesítsenek (a természetes lebomlás gyorsítása révén). Mint ahogy a felhasználásukhoz tökéletesen optimalizált új matériák felfedezése is a jövő zenéje.

Az elsőként a wellsi világban felbukkant, később – például a George Lucas rendezte, legújabb részével idén karácsonykor debütáló Csillagok háborúja filmeposz révén –  a popkultúrában is örökbérletet szerzett fénykardok egyelőre nem léteznek. Az utóbbi években azonban a hadiipar is élénk érdeklődést mutatott az „újgenerációs” lézerek iránt.

Amerikában például az ELI-ALPS építésével egy időben kezdtek el tesztelni egy olyan lézerágyút, amely idegen felségterületekre tévedt hajók vagy repülőgépek ártalmatlanítására, esetleg megsemmisítésére alkalmas. Emberi célpontok ellen – legalábbis a jelenlegi protokoll szerint – a lézerfegyver nem alkalmazható.