Ultrapontos mérések, melyek a fizikai világ működésének megértését segítik
Az utóbbi két évtizedben a világ vezető lézer laboratóriumaiban olyan új kísérleti technikákat fejlesztettek ki, melyek a mérések érzékenységének, felbontásának és a mérési eredmények pontosságának rendkívüli mértékű javulását eredményezték. A metrológia, vagyis a méréstan az egyik kedvezményezettje a nagyszámú új tudományos mérési módszer kidolgozásának. A metrológiai forradalom vezetett el az SI mértékegységrendszer 2019. május 20-án életbe léptetett megváltoztatásához, a főbb fizikai állandók értékének nemzetközileg elfogadott pontosításához, a tömeg új definíciójához.
Az új típusú lézerek, az atomórák és a kísérleti körülmények rendkívül ügyes összekapcsolása, a mérési körülmények kvantummechanikai alapon történő manipulálása olyan új mérési eljárásokhoz vezetett, melyekkel az ún. Doppler-hatástól mentes molekulaszínképek felvételének nyílt meg a lehetősége az elektromágneses sugárzás olyan tartományaiban is, ahol ez korábban nem volt kivitelezhető.
Dr. Császár Attila Széchenyi-díjas elméleti kémikus egyetemi és akadémiai kutatócsoportjának tagjaival, Dr. Furtenbacher Tiborral és Dr. Tóbiás Rolanddal, valamint Simkó Irénnel, az ELTE Hevesy György Kémia Doktori Iskola doktoranduszával közösen új módszert dolgozott ki ultrapontos spektroszkópiai mérések tervezésére és a mérési eredmények értelmezésére. A javasolt algoritmus támogatásával elvégzett kísérletek a korábban az ún. nagyfelbontású spektroszkópiai mérések által
a közeli infravörös tartományban mérhető vonalak pontosságát négy nagyságrenddel növelik meg.
Viszonyításképpen azt mondhatjuk, hogy amennyiben eddig egy több km-es távolságot 1 cm pontossággal tudtunk megbecsülni - ami már önmagában is jelentős eredmény - úgy most az új mérésekkel ezt a milliméter ezredrészénél is pontosabban tudjuk megtenni.
Az ultrapontos lézerspektroszkópia területén kidolgozott új technikák eszköztárát alkalmazzák napjaink alapvető fizikai kérdéseinek megválaszolására. Ezek azok a mérések, melyekből megtudhatjuk, hogy
a világegyetem keletkezése óta eltelt időkben változtak-e a fizikai állandók értékei, működik-e a fizika ún. standard modellje, valamint hogy van-e mérhető szerepe a gravitációnak a kvantumrendszerekben.
Ahogy a magyar és a holland kutatócsoport munkája bizonyította, nem csak ezen fundamentális kérdések megválaszolására használhatók az ultrapontos mérések, hanem olyan spektroszkópiai adatok meghatározására is, melyek nélkülözhetetlenek számos tudományos és mérnöki alkalmazás esetében és alkalmasak az adatbázisokba rendezett ismereteink javítására és pontosítására is.
A spektroszkópiai hálózatok elméletének segítségével megtervezett méréseket összefoglaló ábra, minden négyzet a vízmolekula egy kvantumállapotának, minden nyíl ezen kvantumállapotok
között ultrapontosan megmért átmenetnek felel meg.
Az ultrapontos mérések kivitelezése rendkívül időigényes, még a legegyszerűbb esetben is egyetlen vonal mérése és analízise több órányi munkát igényel. Ezért az ultrapontos méréseket célszerű a lehető legfontosabb vonalakon elvégezni.
A kísérletek tervezésére és elemzésére a magyar kutatócsoport kidolgozott egy speciális algoritmust, melynek neve SNAPS (spectroscopic network assisted precision spectroscopy), azaz spektroszkópiai hálózattal támogatott precíziós spektroszkópia. A kidolgozott elmélet alapján javaslatot tettek holland fizikus kollégáiknak arra, hogy a víz mely vonalait lenne célszerű megmérni.
A vízmolekula kvantumállapotai közötti átmenetek aprólékos mérésére részben azért esett a kutatók választása, mert a víz spektroszkópiájának pontos ismerete segít többek között a földi üvegházhatás tudományos megértésében (hiszen a Föld légkörében a víz a legfontosabb üvegház hatású gáz), az exobolygók légkörének vizsgálatában (így a van-e élet a Földön kívül kérdés megválaszolásában), spektroszkópiai mérések kalibrálásában, valamint hozzájárulnak megannyi mérnöki alkalmazás eredményeinek javításához is.
A közös magyar-holland kutatómunka eredményeit a rangos Nature Communications folyóirat közölte 2020. április 6-án.
Dr. Császár Attila Széchenyi-díjas elméleti kémikus, az ELTE TTK Kémiai Intézet Fizikai Kémiai Tanszékének professzora és az MTA-ELTE Komplex Kémiai Rendszerek Kutatócsoport vezetője. 1983-ban végzett az ELTE TTK vegyész szakán, doktori fokozatát 1985-ben szerezte meg ugyanitt. Kutatási területe az elméleti kémia, a kvantumkémia (különös tekintettel a magmozgás számításokra), a szerkezetkutatás, a nagy- és ultranagy-felbontású molekulaspektroszkópia, a termokémia, valamint az aktív adatbázisok kémiai alkalmazásai.Fontosabb eredményei közé tartozik a számított molekuláris tulajdonságok hibájának meghatározására szolgáló, ún. focal-point-analysis módszer kidolgozása, mely a kvantumkémiában széleskörűen alkalmazott ún. kompozit módszerek mintájául szolgált, a kvantumkémia negyedik korszakába tartozó számítási technikák kidolgozása és alkalmazása kváziszerkezetű molekulákra, a hálózatelmélet bevezetése a spektroszkópiába, az aktív adatbázis technológia kidolgozása és alkalmazása a kémia különböző ágaiban.
Több mint 250 tudományos közlemény szerzője, illetve társszerzője, melyek között Nature, Science és Phys. Rev. Lett. publikációk is találhatók.
Közleményeire közel 11 000 hivatkozást kapott, H-indexe 53. Legfőbb díjai: Polányi Mihály Díj (2012), megosztott Széchenyi-díj (2017).
Kapcsolódó anyagok
- Attila Császár - Molecular skyscrapers
- A Spectroscopic-network-assisted precision spectroscopy and its application to water című cikk a Nature Communication Inorganic, Nanoscale and Physical Chemistry Editors' Highlights oldalán.