A csillagok – mint például Napunk – belsejében az egyre nehezebb kémiai elemek fúziós reakciók sorozata révén keletkeznek. Az elemszintézis e láncolatának első lépése során négy hidrogén mag alakul héliummá. A folyamat kétféleképpen, a proton-proton (p-p) lánc illetve a szén-nitrogén-oxigén (CNO) ciklus révén mehet végbe. Előbbi reakcióhálózat egyik kulcsreakciója a ³He(α,γ)⁷Be reakció.

Ugyan a ³He(α,γ)⁷Be mind elméleti mind, kísérleti szempontból az egyik legintenzívebben tanulmányozott magreakció, mégis a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban a reakció hatáskeresztmetszete az asztrofizikai modellek ellenőrzéséhez szükségesnél lényegesen nagyobb bizonytalansággal ismert. A jelentős bizonytalanság oka, hogy az alfarészecske-befogás valószínűsége az asztrofizikailag releváns energiatartományban igen alacsony, a hatáskeresztmetszet pikobarn nagyságrendű. A reakció közvetlen mérésére a jelenlegi kísérleti technikákkal nincs lehetőség, tehát a reakciót magasabb energiákon vizsgáljuk, majd az eredményeket magmodellek figyelembevételével extrapoláljuk. A rendelkezésre álló hatáskeresztmetszet adatok jellemzően közvetlen, in-beam illetve, aktivációs technikával kivitelezett mérésekből származnak.

Ismert azonban, hogy a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban a reakció úgynevezett direkt befogás révén megy végbe, így lehetőség van a hatáskeresztmetszet meghatározására egy közvetett módszerrel, az úgynevezett aszimptotikus normalizációs koefficiens (ANC) technikával is. A direkt befogás hatáskeresztmetszete arányos a transzfer reakciók tanulmányozása révén meghatározható ANC négyzetével. Kísérletileg a ⁶Li(³He,d)⁷Be reakciót tanulmányoztuk: a ⁶Li lazán kötött, klaszter szerkezetű atommag, bizonyos feltételek teljesülése esetén deuteronra, illetve alfa részecskére esik szét. Amennyiben ez a bombázó ³He mag felszínéhez igen közel történik meg, akkor alfarészecske-átadás révén ⁷Be mag jön létre hasonlóan ahhoz, ahogy a folyamat a csillagok belsejében végbemegy. A kísérlet során a deuteronok szögeloszlásának mérésével rekonstruáltuk a klaszterszerkezet felhasadásának, illetve az alfarészecske-befogásának a mechanizmusát és meghatároztuk a reakció hatáskeresztmetszetét a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban.

Komplex fizikai rendszer együttes viselkedése nem értelmezhető csupán a rendszer egyes részeinek viselkedésének az ismeretében. A kvantummechanikában ez abban nyilvánul meg, hogy a kvantumrendszerek leírásához szükséges bizonyos fizikai mennyiségek nem additív tulajdonságúak. Az aktiválás jelenségét képletesen a „0 + 0 > 0” egyenlőtlenséggel írhatjuk le: két rendszer külön-külön nem rendelkezik valamilyen tulajdonsággal, azonban a két rendszert együtt tekintve már rendelkeznek ezen tulajdonsággal. Ilyen mennyiségre példa a kvantumcsatorna információátvivő kapacitása. Létezik olyan kvantumcsatorna, amely önmagában véve nem használható információ továbbítására, de ezen csatorna két vagy több példányát véve, együttesen már képesek információt továbbítani.

A cikkben a fenti aktiválás jelenségét mutattuk ki kvantummetrológiai kontextusban. A kvantummetrológia alapfeladatában kvantumrendszerek egyes paramétereit a lehető legnagyobb érzékenységgel szeretnénk megbecsülni, amely feladathoz többrészecskés kvantumállapotokat használunk fel. A mellékelt ábra egy mérési folyamat három lépését mutatja: (i) a ρ kvantumállapot előkészítése, (ii) ezen kvantumállapot kölcsönhatásba hozása a mérni kívánt rendszerrel, (iii) mérés végrehajtása a ρ_ϴ kimenő állapoton, majd a mérési eredményből következtetünk a rendszer ϴ paraméterének értékére.

A cikkben olyan ρ összefonódott kvantumállapotot tekintettünk, amely bizonyíthatóan nem hasznos metrológiailag. Ezalatt azt értjük, hogy összevetve ezen ρ állapotot a klasszikusan korrelált (ún. szeparálható) állapotokkal, a ϴ paraméter becslési pontossága ρ segítségével nem növelhető. Ugyanakkor ezen ρ állapotnak a két példányát véve az együttes állapot már metrológiailag hasznossá válik. A metrológiai hasznosság aktiválását abban az esetben is sikerült kimutatnunk, ha a ρ állapot egyetlen példányához egy tiszta állapotú, ún. ancilla qubitet adtunk. Ezen aktiválás jelenségének a feltárásához egy hatékony numerikus módszer fejlesztettünk ki, amellyel adott kvantumállapothoz megkereshető a legjobb metrológiai hatékonyságot adó rendszer lokális Hamilton-operátora. 

A nehéz elemek szintézisében, főként pedig az úgynevezett asztrofizikai p-folyamatban fontos szerepet játszanak az alfa-részecskék részvételével zajló magreakciók. A szupernóva-robbanásokban lejátszódó folyamat során - több milliárd fokon - a hőmérsékleti sugárzás által kiváltott (γ,α) reakciók sebessége jelentősen befolyásolja a folyamatban létrejövő nehéz elemek mennyiségét. Így a reakciósebességek kiszámítása és kísérleti ellenőrzése a sikeres asztrofizikai modellek szükséges feltétele.

A (γ,α) reakciók sebességét általában az inverz (α,γ) befogási reakciók kísérleti vizsgálatán és elméleti modellezésén keresztül számítják. Az asztrofizikailag légyeges, alacsony, mélyen Coulomb-gát alatti energiákon az (α,γ) reakciók számított hatáskeresztmetszete nagyon erősen függ a választott alfa-mag optikai potenciáltól, akár több nagyságrendnyi különbségek is adódhatnak különböző potenciálok használatával. Az energiatartomány sajátosságai miatt a potenciál képzetes részének magtörzstől távoli tartománya játssza a legfontosabb szerepet, ami mind kísérletileg, mind elméletileg nehezen vizsgálható, így az asztrofizikai modelleknek igen nagy az ebből származó bizonytalansága.

Jelen munkánkban egy alternatív eljárást javasoltunk az alfa-indukált reakciók hatáskeresztmetszetének számítására. A nagy bizonytalanságot hordozó komplex potenciál helyett egy tisztán valós potenciált alkalmazunk és a teljes reakció-hatáskeresztmetszetet az alagúteffektus valószínűségéből határozzuk meg. Meglepő módon ez az egyszerű modell igen jó visszaadja számos mért (α,γ) reakció hatáskeresztmetszetét anélkül, hogy a potenciál paramétereit az adott reakcióra kellene hangolni. Ez nagy előnyt jelent az asztrofizikai modellekben korábban alkalmazott, igen bizonytalan komplex potenciálok alkalmazásával szemben.

Cikkünkben módszerünk alkalmazhatóságát számos reakció esetén demonstráljuk, példaképpen pedig a p-folyamat szempontjából fontos ¹⁷⁶W(α,γ) ¹⁸⁰Os reakcióra pontos, a korábbi modellekhez képest lényegesen alacsonyabb reakciósebességet adunk meg.

A méz elemösszetételének és minőségének függése a környezeti és földrajzi körülményektől jól ismert tény, mely jelentősen hozzájárul például a magyarországi akácméz nemzetközi elismertségéhez is. Izotópanalitikai vizsgálatok már korábban rámutattak arra, hogy a mézekben botanikai és geográfiai eredetére utaló mintázatokat lehet felismerni. Egyes nyomelemek aránya jellemző és eltérő lehet a különböző típusú növények nektárjától származó mézekre, illetve szén stabilizotóp-arány mérésekkel a mézhamisítás is kimutatható.

A természetes és az emberi hatásra bekövetkező környezeti változások nyomot hagyhatnak egy adott területről származó méz összetételének alakulásában is az évtizedek során. Ennek felderítésére, egy egyedülálló hazai mézgyűjtemény segítségével az elmúlt több mint fél évszázadra visszamenően (1958-2018) különböző évekből származó mézminták elemösszetétel és szénizotópos összehasonlító vizsgálatát végeztük el. Huszonhat ismert korú tiszta akácméz és további három vegyesméz minta nyomelem tartalmát határoztuk meg mikrohullámú plazma atomemissziós spektrométeres (MP-AES) módszerrel. A mézek származási évjáratának független igazolását az elmúlt évszázadra nagy érzékenységgel alkalmazható „légköri bombacsúcs-alapú” radiokarbon (C-14) kormeghatározással végeztük el, az Atomki gyorsítós tömegspektrométeres (AMS) laboratóriumában. Az ismert korú minták C-14 izotópos méréseivel így elsőként tudtuk igazolni, hogy a méhek által gyűjtött méz, illetve abból készült termékek akár éves felbontású radiokarbon kormeghatározásra is alkalmasak.

Eredményeink alapján a vizsgált akácméz nyomelem összetétele szigifikáns változást mutatott az elmúlt hat évtizedben. Egyes elemek a korábbi évek mézeiben még fellelhetőek voltak (cink és ólom), viszont a jelenkori mézekben már alig vannak jelen, míg például a bór koncentrációja az 1990-es évek elejétől emelkedő tendenciát mutatott a vizsgált mintákban.

Bizonyítást nyert, hogy az akácméz szénizotópos összetétele és nyomelem tartalma megőrzi a begyűjtés idejére jellemző értékeket, így alkalmas indikátor lehet a múltbeli környezeti változások és hatások (pl, szennyezési események, csapadékviszony átalakulások, helyi- vagy regionális ipari és mezőgazdasági hatások) kimutatására, akár utólag is. Bemutattuk, hogy a tiszta akácméz radiokarbon kormeghatározásra is alkalmas, így akár komplex biológiai-, élelmezési-, környezeti- valamint régészeti célú kutatásokhoz is felhasználható. Egyes minták esetében kimutatható volt a fosszilis CO₂ kibocsátás radiokarbon tartalmat hígító hatása, így akár a városi, illetve ipari forrásokhoz köthető légköri üvegházhatású gázok kutatásába is bevonható.

Ezek a vizsgálatok nem pusztán kutatási célt szolgálnak, hanem gazdasági vonatkozásuk is jelentős lehet, mivel a méz jelentős import és export termék a nemzetközi élelmezésben.

A szilícium félvezető cellák szennyeződése erősen befolyásolja azok működési tulajdonságait, például a kisebbségi hordozó élettartamát. A gyártás során, azaz a szilícium-rúd levágásakor el kell kerülni a fémszennyeződések szilícium felületére való jutását, mivel ezek onnan tovább migrálva a töltéshordozók élettartamának gyors csökkentésén keresztül degradálják a napelemek teljesítményét. Ezt a hatást vizsgáltuk célzottan ellenőrzött módon alacsony, a két leggyakoribb és legkárosabb vas és réz szennyezettségi szintek mellett. A vizsgálat során szilícium lemezek híg sósav-alapú (pH = 1,3) oldatokba való merítésével ellenőrzött felületi elszennyezést hajtottunk végre 30, 100, 300 és 1000 ppb fémkoncentrációk alkalmazásával. A kialakult felszíni szennyeződés koncentrációk szintjét két módszerrel vizsgáltuk: teljes visszaverődésű röntgen fluoreszcencia (TXRF) mérésekkel és lézeres abláció induktív csatolású plazma tömegspektrometriával (LA-ICP-MS). A kisebbségi hordozó élettartamát fotolumineszcencia (PL) mérésekkel ellenőriztük. Megállapítottuk, hogy a kifejlesztett kisenergiájú a LA-ICP MS módszer hatékony módszernek bizonyul a ppb-szintű felszíni szennyeződések és azok behatolási mélységének közvetlen meghatározására. Összehasonlítva a TXRF és az LA-ICP-MS által kapott eredményeket megállapítottuk, hogy a Langmuir adszopciós modell megfelelő a tisztítási folyamatok jellemzésére. Az LA-ICP-MS ráadásul az egyszerű szennyezettségi szint meghatározása mellett, felhasználható volt a szennyeződés teljes felszíni térképének a meghatározására.

A magfizikában jól ismert, hogy a legkülső héjakon levő azonos nukleonok 0 spinű proton-proton illetve neutron-neutron párokat alkotnak a köztük fellépő párkölcsönhatás miatt. A közel megegyező számú neutront és protont (N=Z) tartalmazó atommagokban különösen erős hasonló korreláció várható az azonos kvantumszámokkal jellemzett állapotokban lévő protonok és neutronok között is. Régóta kérdés, hogy az atommagokban létrejönnek-e protonból és neutronból álló nem 0 spinű párok. A közelmúlt elméleti előrejelzései alapján a 80-nál több protont és neutront tartalmazó N=Z atommagokban fontos szerepet játszhatnak az ilyen proton-neutron (p-n) párok a gerjesztett állapotok tulajdonságainak kialakításában. 

Az Atomki kutatóinak részvételével korábban már sikerült kimutatni a különleges p-n párok hatását a gömbszerű ⁹²Pd atommag héjmodell-szerű állapotaira. Az elmélet szerint ez az új típusú kölcsönhatás a deformált magok forgási sávjaira is kísérletileg ellenőrizhető hatást gyakorol. Az ilyen atommagok forgása során, amikor a forgási frekvenciával arányos Coriolis erő elég nagy, fel tud törni egy nukleonpárt. Ez kísérletileg úgy jelenik meg, hogy egy bizonyos frekvenciánál a forgási sávhoz tartozó tehetetlenségi nyomaték hirtelen megnő. Azonban, ha az új típusú p-n párkölcsönhatás is fellép, akkor a párok erősebben kötöttek, a feltörésükhöz nagyobb Coriolis erő kell, ami nagyobb forgási frekvenciát igényel, tehát a párfeltörést mutató ugrás a tehetetlenségi nyomatékban nagyobb frekvencián jelentkezik. Ezt a jelenséget mutatta ki egy nemzetközi kutatócsoport az Atomki Magfizikai Laboratóriumában működő Magspektroszkópiai Kutatócsoport kutatóinak meghatározó részvételével a ⁸⁸Ru (N=Z=44) atommag esetén. 

A Caen-ban működő GANIL francia nemzeti nehézion-laboratóriumban végzett kísérletben a ⁵⁴Fe és a ³⁶Ar atommagokat ütköztetve, az atommagból kilépő gamma-sugárzások mérésével vizsgálták a ⁸⁸Ru forgási állapotait. Mivel a vizsgált atommag a magreakcióban nagyon ritkán keletkezett, a ⁸⁸Ru izotóphoz tartozó gamma-sugárzásokat csak a legújabb fejlesztésű észlelő berendezések alkalmazásával tudták kiemelni a többi reakciótermékből kilépő gamma-sugárzás erős hátteréből. A kísérlet során az AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) gammadetektor-rendszert, a NEDA és Neutron Wall neutrondetektor-rendszert, valamint az elmúlt években az Atomki kutatói által továbbfejlesztett és üzemeltetett DIAMANT töltöttrészecske-detektorrendszert használták. A neutron- és töltöttrészecske-detektorrendszerek segítettek abban, hogy letiltsák a töltött részecske kibocsátással járó reakciócsatornákból származó, zavaró hátteret eredményező gamma-átmeneteket, illetve, hogy az észlelt reakciókból kiválasszák a két neutron kibocsátásával a ⁸⁸Ru atommagra vezető eseményeket. 

A kísérleti adatok feldolgozása során sikerült a ⁸⁸Ru atommag alapállapoti forgási sávját kiterjeszteni olyan nagy impulzusmomentumokig és forgási frekvenciákig, hogy lehetővé vált a párfeltöréshez tartozó forgási frekvencia meghatározása. Ez a frekvencia az elméleti előrejelzésekkel megegyezően nagyobbnak adódott, mint ami a p-n párkölcsönhatás nélkül várható, és amit a közeli nem N=Z páros-páros atommagokban (⁸⁶Mo, ⁸⁴Zr) észleltek. Ez a „késői” párfeltörés az elméleti számítások alapján a nem 0 spinű proton-neutron párok kialakulását okozó újfajta párkölcsönhatás fellépésének kísérleti jele.