Több tízezerszer pontosabb spektroszkópiai mérések

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 úgynevezett Doppler-hatástól mentes molekulaszínképekről tudtak felvételeket készíteni az elektromágneses sugárzás olyan tartományaiban is, ahol ez korábban nem volt kivitelezhető.

A Doppler-hatás a hullám frekvenciájában és ezzel együtt hullámhosszában megjelenő változás, mely amiatt alakul ki, hogy a hullámforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozog. Ennek köszönhető például az álló megfigyelőhöz közeledő, illetve tőle távolodó mentőautó szirénájának hangjában tapasztalható különbség. Ugyanilyen eltérés van a molekulák mozgásának megismerésére vonatkozó spektroszkópiai mérések esetében a lézer útjába kerülő molekulák sebességében és így fényelnyelő képességében. Ez a hatás a vonalak nagymértékű kiszélesedéséhez vezet.

Császár Attila Széchenyi-díjas elméleti kémikus egyetemi és akadémiai kutatócsoportjának tagjaival, Furtenbacher Tiborral és 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 korábbi, úgynevezett nagyfelbontású spektroszkópiai mérések által a közeli infravörös tartományban mérhető vonalak pontosságát négy nagyságrenddel növelik meg. Viszonyításképpen: ez azt jelenti, hogy ha eddig egy több kilométeres távolságot egy centiméter pontossággal tudtunk megbecsülni – ami már önmagában is jelentős eredmény –, akkor most az új mérésekkel ezt a milliméter ezredrészénél is pontosabban megtehetjük.

A spektroszkópia a fény és az anyag kölcsönhatásával foglalkozó tudományág.

A csaknem 200 éves múltra visszatekintő spektroszkópiának köszönhetjük a világról és a világegyetemről kialakított fizikai képünk meghatározó részét. A pontosan mért vonalak iránt rendkívüli rendkívüli tudományos és mérnöki igény miatt a nagyfelbontású molekulaspektroszkópia által szolgáltatott adatokat speciális, hatalmas méretű, sok milliárd adatot tartalmazó adatbázisokban tárolják. 

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 úgynevezett standard modellje, valamint van-e mérhető szerepe a gravitációnak a kvantumrendszerekben. Ahogy a magyar és a holland kutatócsoport munkája bizonyította, nemcsak 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.

Az ultrapontos mérések kivitelezése rendkívül időigényes, még a legegyszerűbb esetben is több órányi munkát igényel egyetlen vonal mérése és analízise, ezért ezeket 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 a kutatók 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; az exobolygók légkörének vizsgálatában, és ezzel a "van-e élet a Földön kívül?" kérdés megválaszolásában; spektroszkópiai mérések kalibrálásában. Hozzájárul megannyi mérnöki alkalmazás eredményeinek javításához is.

A közös magyar-holland kutatómunka eredményeit a rangos Nature Communications folyóirat közölte 2020. április 6-án.

Forrás: ELTE TTK