A felületfizikai kutatások témakörébe tartozik a felületeken és a felülethez közeli rétegekben végbemenő atommozgási folyamatok vizsgálata. A téma érdekes alapkutatási szempontból, de fontos a modern elektronikai ipari technológiák szempontjából is, mint a vezetők és szigetelők korrózióvédő vagy optikai tulajdonságainak javítását célzó bevonatolások, vagy az ólommentes forrasztási technológia. Amíg az ón-ólom ötvözet alkalmazása az ipari forrasztási technológiákban egy jól bevált és megbízható eljárás volt, addig az ólom kiváltása óriási technológiai erőfeszítéseket igényelt. A gyártási hőmérsékletek alacsonyabbak lettek, de nem rendelkezünk alacsonyhőmérsékleti atommozgási folyamatokat leíró kísérleti adatokkal. Ennek az az oka, hogy alacsony hőmérsékleteken, ami 150 C-nál kisebb hőmérsékleteket is jelenthet, nem egyszerű vizsgálni az atommozgási folyamatokat vékonyrétegekben.

A cikkben bemutatott eredmények alapkutatási szempontból is jelentősek. Egy 1980-as években kidolgozott modell szerint a felületközeli rétegből a felületre termikus diffúzióval kijutott atomok a felületen egyenletes és folytonos réteget formálnak a kis aktivációs energiával rendelkező felületi diffúzió miatt. Ez a modell igaz, ha a felület egy ideális kétdimenziós sík. De nem igaz felületi durvasággal bíró felületre, amikor a felület nem ideális sík. A gyakorlatban ez utóbbi valósul meg. Ezért a felületi folytonos kétdimenziós réteg kialakulásának modelljét felül kell bírálni az új, pontosabb kísérleti eredményeknek megfelelően.

A kísérleteket olyan anyagokon végeztük, amelyeket gyakran alkalmaznak az elektronikában. Ezek a Cu, Ni és a Si. Porlasztásos technikával készítettünk egykristály szilícium hordozókra néhány 10 nm vastagságú Ni/Cu és Cu/Si réteget, majd az elkészült mintákat adott ideig, adott hőmérsékleten hőkezeltük, miközben a minták felületén bekövetkező változásokat kis energiás ionszórásos spektroszkópiával figyeltük. A hőkezelés után még a következő módszerekkel is végeztünk felületvizsgálatokat: tömegspektrometrián alapuló mélységprofi-analízis, Röntgen-gerjesztéses elektronspektroszkópia, alagútáramos tűs-mikroszópia és elektronmikroszkópia.

A kísérletek célja a Cu atomoknak a polikristályos Ni rétegen, a Si atomoknak pedig a polikristályos Cu rétegen való keresztüljutásának a tanulmányozása, majd a felületre való kijutás után a felületen való elrendeződésüknek a tanulmányozása volt. Meghatároztuk a szemcsehatár diffúzióban résztvevő Cu és Si atomok felületi megjelenésének idejét, továbbá a felületi koncentrációjuk változását és az aktivációs energiákat. Megállapítottuk, hogy a felületre kijutott atomok elrendeződése nem felel meg az eddig elfogadott képnek, nem alkotnak folytonos felületi réteget, ehelyett szigeteket alkotnak. Vizsgáltuk ezen szigetek kialakulásának hőmérséklettől és a hőkezelési időtől való függését, továbbá az oxigén szerepét a felületi atomok közötti kötésrendszerben.

Magyarország nem csak az egy főre eső Nobel-díjasok számában világelső, de sajnos a rákos megbetegedések okozta elhalálozások statisztikájában is közel áll ehhez a címhez. A radioaktív izotópok sugárbiológiai hatását már régen igyekeznek alkalmazni tumorterápiás célokra. A béta és alfa sugárzó radioizotópok mellett egyre nagyobb figyelem jut az úgynevezett Auger elektronokat sugárzó izotópokra, mint például a ¹⁰³Pd-ra. Ugyanis az Auger elektronok nagyságrendekkel kisebb térben adják át energiájukat a környezetnek, mint a béta vagy alfa részecskék, ezért a tumorszövetekbe juttatva csak a tumoros sejtek halálát okozzák, az egészséges sejtek sugárkárosodást gyakorlatilag nem szenvednek. Ilyen izotóp a ¹⁰³Pd is, aminek széleskörű felhasználását eddig nagyban gátolta az előállítása során alkalmazott rendkívüli vegyszer és élőerő igényes, roppant bonyolult nedves kémiai elválasztási technika. Ennek forradalmian új alternatíváját dolgozták ki a szerzők. A magas hőmérsékleten, vákuumban történő kipárologtatása a ¹⁰³Pd-nak a ródium fém fóliából, amiben ciklotronon történt besugárzással indukált magreakció hozta létre a radioaktív izotópot a palládium és a ródium fémek parciális gőznyomásának különbségén alapszik. A gőznyomáskülönbség révén a ¹⁰³Pd kidiffundál a ródium fólia felületére, ahonnan elpárolog. Az elvi lehetőség használhatóságát a szerzők az általuk megépített izotópszeparátor alkalmazásával kísérleti úton, úgynevezett ”proof-of-concept study” révén igazolták radioaktív izotóppal is. Inaktív előkísérletekben bizonyították, hogy a palládium elpárolgásakor a „hideg” csapda felületén ródium nem kimérhető, azaz „nem repül”. Erre az Atomki tömegspektrometria és pásztázó mikroszkópia anyagvizsgálati módszereit használták fel. A diffúziós állandók hőmérsékletgörbéje alapján megbecsülhető az adott rétegvastagsághoz tartozó optimális „párologtatási idő” is, ami már a rutin termelés gazdasági optimalizálásához lesz szükséges.

A ¹⁰³Pd-ot „isteni golyóként” is emlegetik, mert tumorszelektív vektormolekulákhoz kötve szinte teljesen kiküszöbölhető lehet a korábban terápiás célra használt béta- és alfasugárzó izotópok esetén elkerülhetetlen környezeti sugárkárosító hatás az egészséges sejtekre. A szerzők reményei szerint a tumoros sejtekre jellemző receptorokhoz kötődő úgynevezett „affibody-k” alkalmasak lesznek ilyen vektor molekula szerepre, kutatásaikat ebben az irányban folytatják.

A kén olyan alapvető elem, amely minden ismert életformában megtalálható. Ezért az asztrokémiai és asztrobiológiai kutatások egyre inkább törekednek a kéntartalmú molekulák űrbéli körülmények közti keletkezéséhez és roncsolódásához vezető körülmények megértésére. Az egyik lehetséges keletkezési mechanizmus a Napszélben és az óriásbolygók magnetoszférájában is jelen lévő reaktív kén ionok implantálódása (beágyazódása) a külső Naprendszer jeges holdjain, üstökösökön, vagy a Kuiper-öv jeges objektumain található jegekbe. Az implantálódás folyamata során elektromosan semlegesítődő kénionok a jeget alkotó molekulák sokaságával képesek reakcióba lépni. Ezen reakciók során új molekulák, (akár összetett) ionok és szabad gyökök is létrejöhetnek. Az egyszerűbb két- ill. háromatomos molekulák mellett, így akár összetett szerves molekulák is keletkezhetnek.

Ebben a közleményben azokról az eredményeinkről számolunk be, melyeket a 290-400 keV bombázóion-energiatartományba eső reaktív kénionoknak O₂, CO és CO₂ jegekbe történő implantálása során értünk el. A jegeket olyan körülmények (hőmérséklet, nyomás, besugárzási dózis és jégkészítési körülmények) között alakítottuk ki és sugároztuk be, melyek a külső Naprendszer jeges régióiban jellemzőek; ilyen régió a Kuiper-öv. Ezek a kísérletek azért fontosak, mert korábbi asztrokémiai kutatások leginkább a Jupiter Galilei-holdjainak rendszerére jellemző körülmények között vizsgálták a kén implantálódásának folyamatát. A Galilei-holdak régiójában a fizikai-kémiai környezet nagymértékben különbözik attól, ami a Kuiper-övben megfigyelhető. Így jelenlegi eredményeink egy újabb lépést jelentenek annak megértésében, hogy a kén jelenléte milyen szerepet játszik a sugárzás hatására végbemenő kémiai változásokban.

Eredményeink azt mutatják, hogy az O₂ jégbe implantált kén ionok hatékonyan hoznak létre SO₂ molekulákat. Számszerűsítve, minden implantált kénionra átlagosan 0.47±0.01 kén-dioxid molekula keletkezése jut. Ebből arra következtetünk, hogy a külső-Naprendszer oxigéndús jegeiben nem elhanyagolható az SO₂ keletkezése. Ugyanakkor meg kell jegyeznünk, hogy egyéb sugárzástípusok és hőmérsékleti hatások miatt (főként víz és ózon közvetlen környezetében) végbemenő kémiai reakciók a keletkező SO₂ molekulák számát jelentősen csökkenthetik. Nem tudtuk megfigyelni kéntartalmú molekulák keletkezését CO jég besugárzása során. Ilyenkor a kéntartalmú molekulák helyett szénben gazdag molekulák (CO₂ és CO₃ molekulák, kumulén-oxidok [három vagy több szomszédos C-C kétszeres kötést tartalmaznak], szén-oxid típusú gyökök) jöttek létre. Ha az egyszerű kéntartalmú molekulák keletkezésének látszólagos hiányát a sugárzás gerjesztette bőséges szénkémiával együtt tekintjük, akkor feltételezhetjük, hogy a „hiányzó” kén a nagyon kis mennyiségben keletkezett komplex szerves molekulákba épülhetett be. További fontos eredményünk, hogy a Kuiper-övi körülmények közt szén-dioxid jégbe implantált kénionok csak kis mennyiségű SO₂ keletkezését okozták. A kísérletek során nyilvánvalóvá vált számunkra, hogy a kénionok implantálódása CO₂ jégbe nem hatékony módja a kén-dioxid molekulák keletkezésének. Ezt a kísérletet a Galilei-holdrendszer szempontjából releváns magasabb hőmérsékleten is elvégeztük, és azt tapasztaltuk, hogy ilyen körülmények között a kénionok CO₂ jégbe történő implantálása egyáltalán nem eredményezi kén-dioxid molekulák létrejöttét.

Ezzel rámutattunk, hogy a kénionok molekuláris jégbe történő implantálása, a Naprendszer különböző régióinak megfelelő körülmények közt, régiónként jelentősen eltérő kémiai folyamatokhoz vezet.

A vulkáni veszélyelőrejelzés szempontjából kulcsfontosságú a kitörés előtt a magmakamra állapotának, az itt lezajló folyamatoknak alapos ismerete, hogy minél pontosabban megértsük mi vezet el egy adott vulkáni rendszer működésének felújulásához és a vulkánkitöréshez. Erre egy jó mintaterület a Kožuf-Voras vulkáni rendszer legnyugatibb tagja, a riolitos Šumovit Greben lávadóm (É-Macedónia), ahol részletes ásványgeokémiai és teljes kőzet geokémiai adatok segítségével feltártuk, hogy milyen folyamatok zajlottak a magmatározóban a kitöréseket megelőzően. A riolitos kitörési termékeket nagy SiO2-tartalom (>70 m/m%) és kicsi MgO- (<1 m/m%) és Sr-tartalom (<500 ppm) jellemzi, amely nagyobb mélységben tőrténő klinopiroxén és plagoklász-frakcionációra utal. A klinopiroxént, plagioklászt és biotitot tartalmazó kristálykása alkotja a magmás rendszer nagyobb, mélyebben elhelyezkedő részét. Ezen olvadékkivonódással egy főleg szanidint és plagioklászt tartalmazó olvadéklencse alakult ki, amely a kitöréseket is táplálta. A lávadóm építő kitörés 2,9 millió évvel következett be, amelyet egy rövid szunnyadási időszak után egy robbanásos és egy kis lávaöntő kitörés követett kb. 2,8 millió évvel ezelőtt. Ennek eredménye egy masszív lapillitufa réteg, amely a lávadómtól északnyugatra található, valamint egy kis térfogatú lávafolyás a lávadóm északi részén. Ez a lávafolyás nemcsak az olvadéklencsét, hanem  a mélyebben található kristálykását is megmintázta, erre utal a kőzetben megjelenő glomeroporfíros kristálycsomók jelenléte is, amelynek fő alkotói a klinopiroxén, a plagioklász és a biotit. A klinopiroxén fenokristályok homogén összetételt mutatnak, kb. 900 °C-on kristályosodtak ki, ez jellemzi a kristálykása hőmérsékletét. A plagioklász és szanidin fenokristályok valamivel alacsonyabb, kb. 790 °C-os hőmérsékleten kristályosodtak, ami pedig a riolitos olvadéklencsére jellemző hőmérséklet. A klinopiroxéneken mért nemesgázizotópos összetétel nem mutatott ki földköpenyből származó fluidkomponenst (0,04 Ra). A magmás rendszer felújulása valószínűleg egy mélyben történt mafikus magma benyomulásának az eredménye, amely felfűtötte és részben megolvaszthatta a kristálykását. Ezt jelzik a szanidin Ba-gazdag peremei, valamint a plagioklász fenokristályok An- és Sr-gazdag peremei. A Šumovit Greben alatt elhelyezkedő kristálykása valószínűleg kapcsolatban állhatott a közeli, Kožuf-Voras vulkáni rendszer mafikusabb lávadómjai alatti magmás rendszerrel, a kitörések pedig a vulkáni rendszer utolsó aktív fázisának kezdetét jelezhetik.

Atomok és molekulák ionokkal történő bombázása során létrejövő folyamatok ismerete az alapvető érdekességükön túl, számos területen bír gyakorlati jelentőséggel. Az ilyen ütközések gyakran előforduló jelenségek a természetben, és alkalmazásuk számos kutatási területen gyorsan fejlődik. Ide sorolhatjuk a radioterápiát, a fúziós energiakutatásokat, a modern anyagmegmunkálási technikákat és a magas légköri folyamatok modellezését a klímakutatásban, de újabban az űrkutatás és az asztrofizika területéről is hozhatnánk példákat.

Az alapvető atomi ütközési jelenségek (gerjesztés, ionizáció, elektronbefogás) vizsgálata a múlt században a hatvanas évekig nyúlik vissza, amikor a magfizikai kutatások számára kifejlesztett gyorsítókat az atomfizika területén is alkalmazni kezdték. Gáz halmazállapotú atomok ionokkal kiváltott ionizációjának értelmezése során lényeges volt, hogy a „szabaddá” vált elektron(ok) mozgását a visszamaradó céltárgyion és a távozó lövedékion közösen kialakított potenciálterében írják le. Az ezt teljesítő modellek a nyolcvanas évek közepétől jelentek meg az irodalomban, és közöttük a legsikeresebbnek az ún. folytonosan torzított hullámú modellek bizonyultak. Ezen modellek alkalmazása a molekuláris céltárgyakra az utóbbi 15-20 évben terjedt el azzal a jelentős egyszerűsítéssel, hogy a molekula ion többcentrumú potenciálterét rendszerint az atomi folyamatok tárgyalásánál elterjedt, gömbszerű centrális térrel veszik figyelembe. Itt érdemes megemlíteni, hogy már három részecske esetén sem létezik egzakt megoldása a kvantummechanika Coulomb szórási problémának, ami különböző közelítések bevezetését teszi szükségessé az adott sokrészecskés folyamat realisztikus tárgyalásában.

Ebben a munkában a folytonosan torzított hullámú-eikonal kezdeti állapot modell molekuláris ütközésekre történő olyan továbbfejlesztése valósult meg, ahol a szabaddá vált elektron mozgását végig a molekula potenciálterének többcentrumú anizotrop jellege határozza meg. A módszer fejlesztése során kihasználtuk a molekulák szimmetria tulajdonságaiból származtatható olyan lehetőségeket is, amellyel az elméleti formalizmus egyszerűsödött, és amivel a számítási időt is lényegesen lehetett csökkenteni. A modellt a vízmolekula nehéz ionokkal kiváltott egyszeres ionizációjára alkalmaztuk. Az ábra az 1 MeV energiájú protonokkal bombázott vízmolekula ionizációja során kirepülő 10 eV energiájú elektronok kétszeresen differenciális (DDCS) szögeloszlását mutatja. A piros vonal a jelen anizotrop, míg a zöld és narancssárga vonalak a korábbi gömbszimmetrikus modell potenciálokon végzett számítások eredményeit jelöli. A hibakorlátokkal ellátott pontok a kísérleti adatok. A számos mérési adat analízise rámutatott a kísérleti adatok pontosításának szükségességére és az elméleti modellek továbbfejlesztésének lehetséges irányaira is.

A gyorsítós tömegspektrometria (Accelerator Mass Spectrometry: AMS) módszere az 1970-es évek végén született meg, amikor a magfizikai laboratóriumokban rájöttek, hogy a gyorsítórendszerek érzékeny tömegspektrométerekbe építve felhasználhatók hosszú élettartamú radioizotópok ultraalacsony izotóparányainak mérésére. Hamarosan lehetővé vált a radioizotópok és stabilizotóp arányának mérése a 10^-12 és 10^-16 közötti izotóparány tartományban, ami a radioizotóp ionok atomonkénti megszámlálását jelentette, azok számlálási sebességnek, valamint a stabilizotópok ionáramának összehasonlításával. Kiderült, hogy erre a célra az elektrosztatikus tandem gyorsítók a legalkalmasabbak, és ma már világszerte mintegy 160 ilyen elven működő AMS-létesítmény működik. Ez az áttekintő tanulmány az AMS módszer történetét, technológiai fejlődését és kutatási területeit mutatja be a felfedezése óta eltelt 45 éven keresztül. Az AMS mérések számos különböző tudományterületet érintenek, beleértve a régészetet, asztrofizikát, légkörtudományt, biológiát, klimatológiát, kozmikus sugárzás fizikát, környezetfizikát, törvényszéki-bűnügyi vizsgálatokat, geomorfológiát, hidrológiát, jégmagkutatást, meteoritikát, magfizikát, óceanográfiát és még a részecskefizikát is. Mivel egy áttekintésben gyakorlatilag lehetetlen az összes érintett tudományterületet részletesen tárgyalni, így ebben a munkában csak a közelmúltban jelentősebb előrehaladást elért területeket emelték ki részletesebben. A többi esetében arra törekedtek, hogy releváns referenciákat biztosítsanak az adott területek mélyreható tanulmányaihoz.