Ultrahideg atomi rendszerekkel mesterségesen előállított, tökéletes szilárdtesteket modellez Szirmai Edina fizikus, aki a kvantumvilág minél alaposabb megismerését kutatja.

„Napjaink hihetetlenül gyors technológiai fejlődésének egyik alapja az egyre specifikusabb, különleges tulajdonságokkal rendelkező anyagok előállítása. A célzott gyártáshoz nélkülözhetetlen, hogy pontosan megismerjük és megértsük az anyag legapróbb építőkövei által meghatározott, a kvantummechanika törvényei által irányított tulajdonságokat” – fogalmazott Szirmai Edina, az MTA-BME Egzotikus Kvantumfázisok „Lendület” Kutatócsoport tudományos főmunkatársa. A kutató a Műegyetemen ultrahideg, azaz nagyon alacsony hőmérsékletekre, akár néhány nano Kelvinre lehűtött atomi rendszerek elméleti vizsgálatával foglalkozik, amelyért a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíjban részesítette (dolgozatának címe: „Egzotikus mágneses rendeződések magas spinű ultrahideg atomi rendszerekben” – a szerk.).

„A gondos körülmények között mesterségesen létrehozott kristály sem lehet tökéletes: a rácsban mindig vannak hibák vagy szennyező atomok. Ám az ultrahideg atomi rendszerekben e torzulások kiküszöbölhetők úgy, hogy a szilárdtest-szerkezetek valósághűen modellezhetők, a körülmények és az atomok mozgékonysága pedig irányítható” – fejtette ki a fiatal műegyetemi kutatónő. Míg a szilárdtestekben a rácsokat a szerkezeti rácspontok helyén lévő ionok alkotják, és az elektronok ezen ionok terében mozognak, addig az ultrahideg rendszerekben a rácsot egy lézernyalábokkal létrehozott, úgynevezett optikai rács helyettesíti, az elektronok helyén pedig atomok találhatók. E módszerrel a szilárdtestfizikai szerkezetek tökéletes formában, azaz hiba- és torzulásmentesen hozhatók létre, és az atomok közötti kölcsönhatás is jól irányítható. „Bonyolult lézer-összeállítással sokféle rács modellezhető” – tette hozzá a díjazott, példaként említve a kétdimenziós méhsejt rácsot, amelyben e módszerrel vizsgálják a grafénszerű anyagok speciális tulajdonságait. Szirmai Edina olyan tökéletes modelleket vizsgál, amelyek csak laboratóriumi körülmények között fordulnak elő, és egy meghatározott fázis szimulációjára szolgálnak. „Egy adott kísérletben a vizsgált állapottól eltérő szituációt csak egy újabb mesterségesen létrehozott helyzetben lehet elemezni.”

„E kutatási terület egy jelenleg nagyon népszerű, sokakat foglalkoztató téma, amely az elmúlt 20 évben jelentősen átformálta az elméleti szilárdtestfizikai kutatások eddigi alapvető módszereit” – hangsúlyozta az ultrahideg atomi rendszerek jelentőségéről a műegyetemi kutató. Kifejtette, hogy az anyag számos kvantumos tulajdonsága kísérletileg nehezen fogható meg a szokásos szilárdtestfizikai laboratóriumi körülmények között. E jelenségeket és jellemzőket nagyon jól kontrollálható körülmények között a hideg atomi rendszerekkel lehet megvizsgálni. A rugalmas keretek közötti kontrollálhatóság lehetővé teszi, hogy a kísérleti és elméleti kutatások soha nem látott szinten fonódjanak össze. „Nagy reményeket fűzünk ahhoz, hogy az ultrahideg atomi rendszerek vizsgálatával a szilárdtestfizika régóta vitatott és nyitott kérdéseire kapunk választ, köztük számos bonyolult mágneses jelenségre, vagy akár a magas hőmérsékletű szupravezetés pontos magyarázatára” – tette hozzá a Bolyai-ösztöndíjas kutató.

Az ultrahideg atomi kísérletekben olyan speciális rácskonfigurációk is megvalósíthatók, mint a csatolt láncok, vagy létrák.
A képen egy ilyen rendszer látható. A gömbök a rácspontokban ülő atomokat illusztrálják, míg a nyilak azok spinjét.

Úgy véli, hogy a kapcsolódó kutatások eredményei hosszú távon akár kvantumszámítógépek megalkotásához is felhasználhatók. A mai, klasszikus számítógépekben az adatokat 0 és 1 bináris kódokban tárolják, ezzel szemben a kvantumszámítógépekben az információt szintén kétállapotú, de kvantumos egységeken, úgynevezett kvantumbiteken lehetne elraktározni. „Ezek egyelőre elméletben létező, a mostani számítógépekkel megoldhatatlan – illetve az univerzum életkorával összemérhető idő alatt megoldható – bonyolult matematikai problémák megfejtésére, kvantummechanikai rendszerek szerteágazó vizsgálatára, pontos modellezésére alkalmas rendszerek. „A téma sokak szerint egy tudományos fantazmagória, valóra váltása egyelőre bizonytalan kilátásokkal kecsegtet” – világított rá egy fontos dilemmára Szirmai Edina. Hozzátette, hogy „az ultrahideg atomi kísérletekben megvalósított rendszereket, mint a szilárdtestfizikai modellek kvantum-szimulátorait, sokszor e tervek első kezdeményezéseinek tekintik. Nem véletlenül: egy mindössze néhány száz atomból álló rendszert sem lehet – még a legmodernebb szuperszámítógépek segítségével sem – szimulálni, egyéb okok mellett a tárolási kapacitás korlátai miatt. Ám az ultrahideg atomi kísérletekben akár több százezer vagy akár több millió atom alkotta rendszer is vizsgálható”.

Elméleti kutatásainak egy másik lehetséges gyakorlati megvalósulása a részecskefizikai nagyenergiás modellek szimulálásában rejlik. Jó úton haladnak a kísérletek a felé, hogy az óriási részecskegyorsítókban végbemenő folyamatok részecskefizikai modelljeit az ultrahideg atomi rendszerek segítségével sokkal kisebb területre, akár egy szobányi térbe szorítsák be, csökkentve a gyorsítók létrehozásával párosuló tetemes anyagi költségeket. Szirmai Edina azt kutatja, hogy a részecskegyorsítókban vizsgált elméleti modellek elemzésére alkalmasak-e az ultrahideg atomi rendszerek.

„A kísérletek egyelőre egy olyan élénk elméleti alapkutatás részei, amelynek elsődleges célja a kvantumvilág minél alaposabb megismerése. Ugyanakkor a potenciális alkalmazások közvetlen gyakorlati haszna vitán felül vonzó” – foglalta össze tudományos munkájának főbb motivációit az ösztöndíjas kutató.

„A Bolyai János Kutatási Ösztöndíj elnyerését komoly szakmai megerősítésnek és elismerésnek érzem, amely mindenképp új lendületet ad a munkámnak” – fogalmazott Szirmai Edina, aki e kutatási téma kedvéért jött a Műegyetemre az „alma mater-éből”, az MTA  Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézetéből, ahol a PhD-diplomáját szerezte. Bár az egyetemen is elsősorban kutatóként dolgozik, nagyon fontosnak tartja, hogy egy tudós képes legyen átadni a tudását a fiatalabb generáció tagjainak, ezért a Műegyetemen aktívan részt vesz a fizikusképzésben. A BME-n Edina egy jól összetartó kutatóközösség tagja, így kifejezetten élvezetesnek találja a csapatmunkát, a társaival és a hallgatókkal folytatott szakmai beszélgetéseket, és azt, hogy dilemmáit, kérdéseit és sikereit megoszthatja kutatótársaival. „Az egyetem kutatói-oktatói közege rendkívül stimuláló, nagyban elősegíti munkámat, és ezúton is köszönöm kollégáimnak ezt a támogató, motiváló légkört.”

TZS - TJ