Fiatal kutatói témák az Atomkiban 2009 1. ÚJ RÉSZECSKÉK KERESÉSE A CERN CMS DETEKTORÁVAL Új részecskék keresése a CERN CMS detektorával (Témavezető: Trócsányi Zoltán, zoltant@atomki.hu) Az új fiatal kutatói alkalmazást az induló LHC gyorsítón esetlegesen keletkező új részecskék keresésére szeretnénk felhasználni. Elméleti jóslatok szerint az LHC által biztosított ütközési energián számos lehetőség nyílik új részecskék keletkezésére. Például előfordulhat, hogy a téridő négynél több dimenziós (a magasabb dimenziók mérete mikroszkópikus, ezért makroszkópikusan nem megfigyelhető). Ekkor a Planck-tömeg, amelyen a gravitáció kvantumosságának hatásai jelentkeznek, a TeV/c 2 tartományba eshet, ezért az LHC-n történő TeV-os nagyságrendű elemirész-ütközésekben mikroszkópikus fekete lyukak keletkezhetnek. Az ilyen fekete lyukak azonnal elpárolognak a detektorban igen jellegzetes részecskespektrumot (a Hawking-sugárzás spektruma) produkálva. Az ilyen végállapotok észlelése a tömegvonzás mikroszkópikus elméletére vethetne új fényt. Elsődleges célkitűzésünk a mikroszkópikus fekete lyukak keresése, de általánosabban, szeretnénk mindenféle új részecske keresésére alkalmas módszerek kidolgozásával is foglalkozni. 2. EGZOTIKUS MAGFIZIKAI ÉS NUKLEÁRIS ASZTROFIZIKAI VIZSGÁLATOK Egzotikus magfizikai vizsgálatok (Témavezető: Dombrádi Zsolt, domb@atomki.hu) Az atommagok szerkezetéről alkotott jelenlegi tudásunk javát a (neutronszám, protonszám)=(z,n) sík igen kis foltján kis energia átadásával járó gerjesztésekkel szereztük meg. Az utóbbi évtizedben a radioaktív ionnyalábok megteremtették a lehetőséget arra, hogy ezen túllépjünk. Az eredmények azt mutatják, hogy a kísérleti adatok értelmezésekor alkalmazott elméleti extrapolációk kudarcot vallanak, és ennek mély oka van. A téma célja általánosságban az egzotikus atommagok szerkezetének minél jobb megismerése a (Z,N) sík egy-egy eddig ismeretlen tartományában Európa vezető laboratóriumaiban (CERN, GSI, Ganil) végzett kísérletekkel. A detektorrendszerek szempontjából is komoly követelményeket támaszt ez a kutatás. A téma lehetőséget ad olyan új technikai megoldások kidolgozására, amelyeket elektronikai eszközök fejlesztésében és gyártásában is fel lehet használni. Az adatok feldolgozásában pedig olyan elektronikai és számítástechnikai újdonságok létrehozását serkentjük, amikkel szintén hozzájárulhatunk az ország versenyképességének növeléséhez. Az asztrofizikai p-folyamat kísérleti vizsgálata (Témavezető: Gyürky György, gyurky@atomki.hu) A természetben található nehéz, protongazdag izotópok szintéziséért az úgynevezett asztrofizikai p-folyamat a felelős. A nagytömegű csillagokban, főként szupernóva robbanás során lejátszódó folyamat részleteiben még kevéssé ismert, az elmélet nem tudja kellő pontossággal visszaadni a természetben tapasztalt izotópgyakoriságokat. A probléma egyik
oka a modellekben használt magfizikai bemenő paraméterek nem megfelelő volta lehet. A p- folyamat reakcióhálózatokban nagyszámú reakció hatáskeresztmetszetének ismerete szükséges, ám csak igen kevés kísérleti adat áll rendelkezésre. Az Európai Unió által támogatott kutatási témában főként proton és alfa-befogási reakciók, valamint alfa-rugalmas szórási reakciók hatáskeresztmetszetének mérése a feladat, hozzájárulva a p-folyamat modellek pontosabbá tételéhez. A témát az Európai Unió kiemelt ERC pályázata támogatja. 3. IONOK IRÁNYÍTÁSA SZIGETELŐ KAPILLÁRISOKKAL; ION FELÜLET KÖLCSÖNHATÁSOK EGYEDI ÉS NANOKAPILLÁRISOKBAN Ionok irányítása szigetelő kapillárisokkal; ion-felület kölcsönhatások nanokapillárisokban (Témavezető: Juhász Zoltán, zjuhasz@atomki.hu) A kutatási téma szigetelő nanokapillárisok kötegeiben létrejövő ion felület kölcsönhatások vizsgálata. A nemrég felfedezett ionterelés jelensége igen élénk érdeklődést váltott ki, és vizsgálatát az Atomkiban is elkezdtük. A szigetelő nanokapillárisok képesek arra, hogy néhány kev energiájú ionokat jelentősen eltérítsenek. Ezt egy önszervező felületi feltöltődés okozza, melynek megértése az egyik kitűzött célunk. Ez kísérleti és elméleti munkát egyaránt igényel. A másik célkitűzés alkalmazás jellegű: ezekkel a kapillárisokkal lassú ionokat szeretnénk irányítani, fókuszálni. Egy ilyen fókuszáló elem megvalósíthatóságának elemzése is kutatási cél. Az alapfolyamatok megértéséhez szükség van ion-molekula ütközések során létrejövő jelenségek kiterjedt, gáz-fázisban történő vizsgálatára is. A téma több nemzetközi együttműködéshez (pl. FP6 - ITS LEIF, www.its-leif.org) kapcsolódik. Töltött részecskék szilárdtest felületek kölcsönhatásainak vizsgálata egyedi kapillárisok esetében (Témavezető: Tőkési Károly, tokesi@atomki.hu) A kapillárisokban a töltött részecskék terelési mechanizmusa még nem teljesen tisztázott. Az eddigi eredmények alapján valószínűsíthető, hogy a kapillárisban egy önszerveződő folyamat során dinamikusan változó elektromos tér keletkezik, mely alkalmas arra, hogy a töltött részecskéket átvezesse a kapillárison keresztül. A jelenség megismeréséhez szükséges elméleti számításokkal kapcsolatban több éves nemzetközi együttműködés áll fenn az Atomki Elektronspektroszkópiai csoportja és a Technische Universität Wien (TU Wien) Elméleti Fizikai Intézete között. Az elmúlt évben sor került közös kísérletek elvégzésére is a TU Wien Általános Fizikai Intézetének munkatársaival. Ezen munkákból számos közös publikáció született neves nemzetközi folyóiratokban. A kísérletekhez szükséges minták az Atomkiban készültek. Továbbá ugyanebben a csoportban rendelkezésre áll az ESA-31 elektronspektrométer, amelynek segítségével egyrészt a kapillárisokkal kapcsolatos vizsgálatok jelentősen kiterjeszthetők, másrészt a kapillárisokban lezajló jelenségek vizsgálata szorosan kapcsolódik a csoport által folytatott felületkutatási tevékenységekhez. A nemzetközi együttműködések (TU Wien, Western Michigan University) bővülni fognak a közelmúltban végzett kísérletek alapján. A kapillárisok egyik alkalmazási lehetősége az ionterelés jelenségén alapul, amely mind orvosi, mind optikai alkalmazásokban igen fontos szerepet játszhat. Sokkal egyszerűbben, hatékonyabban és olcsóbban lehetne ion-optikai (pl. fókuszáló) elemeket előállítani. A
kapillárisok vizsgálatából szerzett felületfizikai információk széleskörűen alkalmazhatók az anyagvizsgálatban, vékonyrétegek analízisében. 4. NEHÉZIONPLAZMÁK ÉS -NYALÁBOK ELŐÁLLÍTÁSA, VIZSGÁLATA, IONNYALÁBOK ANALITIKAI, MOLEKULAFIZIKAI ÉS ANYAGMÓDOSÍTÓ ALKALMAZÁSAI Nehézionplazmák és -nyalábok előállítása, vizsgálata, alkalmazása (Témavezető: Biri Sándor, biri@atomki.hu) Az Atomki elektron-ciklotronrezonanciás (ECR) ionforrása (http://www.atomki.hu/atomki/ecr) egy Magyarországon egyedülálló nagyberendezés, mellyel változatos összetételű és ionizáltsági fokú plazmák és ionnyalábok állíthatók elő. Az ionforrás mellett számos atom- és plazmafizikai vizsgálat folyik, pl. plazmadiagnosztika, röntgenspektroszkópia, ion felület és ion vékonyréteg kölcsönhatások. Egyik legújabb és legígéretesebb kutatásunk keretében különböző, alap és módosított fullerén (C60) plazmákat és nyalábokat vizsgálunk, fullerénekre alapozott új anyagok (pl. fullerénbe zárt idegen atomok) előállításán dolgozunk. Orvosi műtéteknél alkalmazott fém implantátumokat vonunk be vékony C60-réteggel és azt vizsgáljuk, segíti-e ez a speciális közbenső szénréteg az élő és élettelen anyag szintézisét. A potenciális pályázónak (1) meg kell tanulnia a teljes ECRberendezés önálló üzemeltetését, (2) rész kell vennie az ECR Laboratóriumban zajló kutatások (elsősorban a fenti, fullerénekre alapozott témák) megtervezésében, végrehajtásában, az eredmények analizálásában, publikálásában és végül (3) fokozottan figyelnie kell a kutatási eredmények bármilyen szintű lehetséges felhasználására elsősorban az ipari és orvosi alkalmazások területén. Protonnyalábos mikromegmunkálás / Nagy oldalarányú mikrostruktúrák létrehozása protonnyalábbal (Témavezető: Rajta István, rajta@atomki.hu) A pásztázó nukleáris mikroszonda egyik legdinamikusabban fejlődő alkalmazási területe a protonnyalábos mikromegmunkálás. A módszer direkt írásos jellegéből adódóan lehetőség van szinte tetszőleges alakzat gyors besugárzásra, pl. prototípusok illetve litográfiai maszkok készítésre. A jelenleg kutatások folynak a mikrofluidikai eszközök (mikroszelepek, mikroturbinák) és kémiai mikroreaktorok létrehozása, illetve mikrooptikai eszközök kialakítása területén, de újszerű sejtbiológiai-orvosdiagnosztikai kísérletek is folyamatban vannak. A megmunkált anyagok igen sokfélék lehetnek, pl. szilícium, a legkülönbözőbb polimerek vagy üvegek. A pályázó feladata az alapkutatási jellegű kutatásokba való bekapcsolódás, és egyes részterületek művelése egyre nagyobb önállósággal. Továbbá folyamatban van egy termék kifejlesztése is, amelyet az Atomki és a DEOEC együttműködésében fejlesztünk, és reményeink szerint hamarosan szabadalom közeli állapotban lesz. Ionbombázással kiváltott folyamatok biológiai szempontból fontos kis molekulákban: széttöredezés, ionizáció (Témavezető: Sulik Béla, sulik@atomki.hu) A sugárkárosodási effektusok molekuláris szinten való megértésében az ion molekula ütközések vizsgálata központi szerepet játszik. E téma keretében elsődleges és másodlagos ütközési folyamatokat vizsgálata a cél, főként a fékeződés végének megfelelő ionenergiákon
(az ún. Bragg csúcs alacsony energiájú oldalán), ahol meglepően nagy a biológiai szempontból fontos molekulák (víztől a DNS-ig) fragmentációjának valószínűsége. Ennek mechanizmusait keressük. Ilyen lehet az ionizált molekulák un. Coulomb-robbanásának és a direkt mag mag ütközéseknek az összjátéka, vagy gyors elektronok keltése ion molekula ütközésekben az ún. Fermi-gyorsítás mechanizmusával. A sugárkárosodási kutatásokban ion felület kölcsönhatásokat is célszerű vizsgálni (pl. felületekhez kötött molekulákon), részben a szigetelő nanokapillárisok kutatásához kötődve. A téma több nemzetközi együttműködéshez (pl. FP6 - ITS LEIF, www.its-leif.org) kapcsolódik. Korszerű ionnyaláb-analitikai eljárások kidolgozása és alkalmazása a kulturális örökség és a környezet állapotára irányuló vizsgálatokban (Témavezető: Uzonyi Imre, uzonyi@atomki.hu) Az ionnyaláb-analitikai módszerek (protongerjesztéses röntgen-, ill. gamma-emisszió (PIXE, PIGE), Rutherford-visszaszórásos (RBS) spektrometria, elasztikus előreszórás (ERDA), pásztázó transzmissziós mikrotomográfia (STIM) stb.) napjaink korszerű, roncsolásmentes elemanalitikai eljárásai közé tartoznak. Pásztázó nukleáris mikroszondával fókuszált ionnyalábokra alapozva lehetővé teszik akár mikroszkopikus méretű minták nagyérzékenységű (1-100 µg/g) elemzését is, tipikusan 1 µm 2 síkbeli és 10-20 nm mélységi felbontással. Olyan stratégiailag kiemelt ágazatokhoz kapcsolódó kutatásokban alkalmazzák őket, mint pl. az anyagtudomány, orvosbiológia, geológia, környezetvédelem, ipar, és világszerte kiemelten szerepel az archaeometriai vizsgálatokban is. Napjainkban az ionnyaláb-analitika témakörében folyó kutatások a módszerek tulajdonságainak (rendszámtartomány, pontosság, érzékenység, laterális és mélységi feloldás stb.) javítására, illetve alkalmazási területük kiszélesítésére irányulnak. A pályázó lehetséges feladatai közé a STIM mikrotomográfia meghonosítása, vagy pl. a PIXE+RBS+PIGE kombinált elemanalitikai eljárás kidolgozása tartozik. Ezen túlmenően bekapcsolódik az EU FP7 programja által támogatott nemzetközi és hazai együttműködésekbe. 5. ELEKTROMOS TÖLTÉSTRANSZPORT CSATOLT SZUPRAVEZETŐ NANORÉTEGEKBEN ÉS MÁGNESES PEROVSZKITEKBEN Elektromos töltéstranszport csatolt szupravezető nanorétegekben és mágneses perovszkitekben (Témavezető: Mészáros Sándor, ms@atomki.hu) 1) A mesterségesen előállított csatolt szupravezető rétegek között fellépő kölcsönhatások tanulmányozása hozzásegít bennünket a magas átmeneti hőmérsékletű szupravezetőkben, elsősorban a jól definiált rétegszerkezettel rendelkező kuprátokban lejátszódó jelenségek megértéséhez, ugyanis az itt előforduló rézoxid síkok valójában (szub)nanométeres vastagságú filmek. Az elektromos töltés transzportja az egyik legérzékenyebb, s ugyanakkor kísérletileg könnyen hozzáférhető indikátora a szupravezető mechanizmus sajátosságainak. A pályázó feladatai ezen a területen a következők lesznek: a) Megfelelő minőségű, néhány nanométeres vastagságú szupravezető rétegszerkezetek előállítása porlasztással és elektronsugaras párologtatóval b) A rétegszerkezetek minősítése a kémiai összetétel, méretek és szupravezető tulajdonságok szempontjából.
c) A réteges szerkezetben fellépő mágneses csatolás tanulmányozása alacsony hőmérsékleteken a vékonyfilmeket leíró Kousterlitz-Thouless fázisátmenet szempontjából 2) A mágneses nanoperovszkit anyagok esetében a feladat az előállított kobalt perovszkitek elektromágneses tulajdonságainak vizsgálata elsősorban a nem kémiai struktúrához kötött spontán fázis-szeparáció (electronic phase separation) kísérleti vizsgálata a mágneses és áramvezetési tulajdonságok kísérleti meghatározása alapján. A fenti perovszkitek ugyanakkor perspektivikusnak ígérkeznek hyperthermiás orvosi alkalmazások szempontjából is. 3) A fiatal kutató további fontos feladata lesz az alacsonyhőmérsékleti (< 1K) kísérleti technika elsajátítása is, mivel a minősítési eljárások és a makroszkópikus szupravezető tulajdonságok meghatározását lényegében csak az alacsonyhőmérsékleti technikára építve lehet elvégezni. Társadalmi, gazdasági hasznosulás szempontjából egyértelműen szükség van alacsony hőmérsékleti méréstechnikában jártas szakemberekre, de a mágneses nanoperovszkitek hyperthermiás célokra való alkalmazása is komoly perspektívát jelent a rákterápia területén. 6. ELEKTRONIKAI, ORVOSI, KÖRNYEZETFIZIKAI ALKALMAZÁSOK FPGA-alapú rendszerek részleges újrakonfigurálása (Témavezető: Molnár József, jmolnar@atomki.hu) Az FPGA-k (Field Programmable Gate Arrays, menet közben programozható logikai áramkörök) statikusan tárolt konfigurációs adatainak egy része (pl. néhány logikai kapu igazságtáblái, memóriaelemek tartalma stb.) működés közben megváltoztatható. Ezzel az egység működési módja is változhat, miközben az FPGA többi része megszakítás nélkül üzemel. A módosított rész újraprogramozását végezheti az érintetlen rész, s így önmódosító áramköröket tudunk létrehozni. A fiatal kutató az ilyen önmódosító áramkörök alkalmazási területeit vizsgálja meg, és konkrét megoldásokat készít el. A lehetséges alkalmazási területek: digitális jelfeldolgozás, szoftveres algoritmusok hardveres gyorsítása, csomagkapcsolt hálózatok, szoftveresen definiált rádió (SDR) készítése, hardvererőforrással való takarékosság, önmódosító és adaptív rendszerek. Szilícium fotoelektron-sokszorozón alapuló detektormodul fejlesztése a nukleáris medicina számára (Témavezető: Molnár József, jmolnar@atomki.hu) A hagyományos fotoelektron-sokszorozó cső (Photo-Multiplier Tube, PMT) a leggyakrabban használt fénydetektor, amit a nukleáris képalkotó eszközökben használnak (pozitron emissziós tomográf, gamma kamera, SPECT). Ezen a területen néhány éve jelent meg újdonságként a szilícum fotoelektron-sokszorozó (sipm). Ez egy olyan szilícium alapú félvezető eszköz, mely megpróbálja egyesíteni a PMT-k nagy erősítését és a félvezető olyan előnyös tulajdonságait, mint a kisebb előfeszítő feszültség, kisebb méret. A hagyományos PMT-nek egy igen hátrányos tulajdonsága az, hogy érzékenyek a mágneses térre. Ezzel szemben a sipm érzéketlen a mágneses térre, így lehetővé válik a sipm-ből felépített nukleáris képalkotó eszközök integrálása a nagy szórt mágneses térrel rendelkező MRI-vel. Ez a humán orvosi diagnosztikában és a kisállatokkal végzett kísérletekben új távlatokat nyit.
Az ifjú kutató bekapcsolódik a csoportunkban folyó, sipm-en alapuló kisállat pozitron emissziós tomográf detektorának fejlesztésébe. A Tisza és mellékfolyóinak izotóphidrológiai vizsgálata (Témavezető: Svingor Éva, svingor@atomki.hu) A South-Eastern Europe Transnational Cooperation Programme keretében román, ukrán, szlovák, magyar és szerb kutatók közreműködésével közös kutatási program indul a Tisza és mellékfolyói mentén fellépő vízszennyezések hatásterületének tanulmányozására. A kutatás célja a közös cselekvési program kialakítása. A kutatási program részei: Szennyeződésterjedés vizsgálata. Ezen belül: a) Felszíni és felszín alatti vizek kapcsolata. A különböző eredetű vizek keveredésének meghatározására a vízmolekula stabil ( 18 O, 2 H) izotópjai, illetve a hidrogén radioaktív izotópja, a trícium (T vagy 3 H) egyedülálló lehetőséget kínál, míg a szennyezők eredetéről a vízben oldott vagy az üledékben található szulfát, nitrát, ammónium, illetve karbonát stabil S, N, C izotóparányai hordoznak információt. b) A szóban forgó folyók longitudinális diszperzióinak meghatározása Üledék-felhalmozódás vizsgálata árterekben a légköri nukleáris fegyverkísérletekből és a csernobili balesetből származó cézium, illetve a 14 C bombacsúcs alapján. Az ártér feltöltődésének üteme szabja meg a gátépítések, az árterek kotrásának szükségességét, ezért pontos ismeretének milliárd forintban mérhető haszna van. Számítunk a fiatal kutató aktív részvételére a vizsgálatokban, az alkalmazott módszerek továbbfejlesztésében, az eredmények feldolgozásában és a kutatás kiterjesztésében. 7. LÉGKÖRI AEROSZOL TULAJDONSÁGAINK ÉS HATÁSAINAK VIZSGÁLATA IONNYALÁB-MIKROANALITIKAI MÓDSZEREKKEL Légköri aeroszol tulajdonságaink és hatásainak vizsgálata ionnyaláb-mikroanalitikai módszerekkel. (Témavezető: Kertész Zsófia, zsofi@atomki.hu) A kutatás célja városi aeroszol forrásainak jellemzése és az embert érő aeroszol-terhelés vizsgálata. A munka szervesen kapcsolódik az Intézet Ionnyaláb-alkalmazások Laboratóriumában folyó légköri aeroszol-kutatáshoz. A jelölt feladata új mintavétel-technikák bevezetése beltéri és személyi aeroszol-vizsgálatokhoz, aeroszolminták összetételének meghatározása ionnyaláb-analitikai módszerekkel, aeroszolforrások feltérképezése statisztikai elemzés segítségével, valamint az aeroszol emberi egészségre gyakorolt hatásainak vizsgálata sztochasztikus tüdőmodellel végzett számításokon keresztül.