A modern technológiában egyre nagyobb szerepe van a multifunkcionális anyagoknak. Ezek optikai tulajdonságait tanulmányozza az MTA Lendület programja keretében Kézsmárki István a BME fizikusa, aki csoportjával innovációs díjat nyert június első hetében. Kutatócsoportjával már eddig is több olyan eredményt ért el, amelyek az információtárolás és az optikai kommunikáció területén hozhatnak világméretű áttörést a következő években. Így az orvosi diagnosztika területén is, ahol munkásságuk a malária korai felismeréséhez járulhat hozzá.
– Mi vonzza Önt a mágnesességben?
– Középiskolában kezdett el komolyabban érdekelni a fizika, amiben nagy szerepe volt annak, hogy egyik barátommal Stephen Hawking kozmológiáról szóló könyveit kezdtük el böngészni. Nagyon érdekesnek és misztikusnak hatott, azt gondoltuk, ilyen a tudomány. Aztán a PhD alatt fordult az érdeklődésem a mágnesesség irányába.
A mágnességet akkor érzékeljük, ha az anyagban lévő mágneses momentumok egy irányba állnak. Ezt hívjuk ferromágnességnek, ami annak a következménye, hogy a mágneses momemtumok, amiket az anyagban lévő elektronok hordoznak, kölcsön-hatnak egymással. Olyan kollektív állapot alakul ki, ami mindenkinek jó. Attól függően, hogy milyen a kristály szimmetriája és milyenek a mágneses kölcsönhatások, nagyon változatosak lehetnek ezek a kedvező állapotok. Én alapvetően kísérleti fizikus vagyok. Tervezünk és végrehajtunk méréseket, ezáltal szeretnénk megérteni, mi történik az anyagban.
– Hol tudják alkalmazni ezeket a gyakorlatban?
– Az egyik nagy ígéret a mágneses adattárolás. Mindannyiunkat érint valamilyen módon az informatika, ennek a jelentőségét aligha kell részletezni. Multiferroikus anyagokat is vizsgálunk, amelyek a ferromágnesesség mellett ferroelektromosak is. Nagyon intenzíven kutatott területe ez az anyagtudománynak, mivel ilyen anyagok segítségével meg lehetne duplázni az információsűrűséget. További előnyük, hogy bennük a mágneses információt elektromos térrel lehet rögzíteni, vagyis nem kell hozzá áram, csak elektromos tér, ami jóval kisebb hőleadást jelent. Ez a miniatürizálásnál rendkívül fontos szempont. A magnetoelektromos memória prototípusa már megvan, legalábbis sikerült demonstrálni, hogy működik. Most egyebek mellett arra keressük a választ, hogyan lehet olyan kristályokat előállítani, amelyek hétköznapi körülmények között is multiferroikus rendeződést mutatnak, ugyanis ez a tulajdonság a ma ismert anyagok többségében csak alacsony hőmérsékleten jelentkezik.
– Van egy saját felfedezése ezen a területen, amiért megkapta az MTA Fizikai Díját.
– Ezek az anyagok képesek optikai egyenirányításra, vagyis az egyik irányból átlátszóak lehetnek, a másik irányból viszont elnyelik a fényt. Jelenleg ott tartunk, az egyik irányban jobban elnyelnek, mint a másik irányban, de természetesen a tökéletes egyenirányítás lenne az igazi, erre hajtunk most. A legutóbbi kutatásaink eredménye, hogy multiferroikus anyagokban el lehet érni ezt az állapotot. Megmutattuk azt is, hogy ez az egyirányú átlátszóság elektromos és mágneses térrel kapcsolható. Ennek az elvét demonstráltuk.
Jogos kérdés persze, hogy mindez mire használható? Gondoljunk az optikai szálakon közvetített információkra, ahol a szálban terjedő sugárzás gyengül, ezért időnként erősítőket kell betenni, ha nagy távolságra akarjuk eljuttatni a jelet. A jel egy része azonban az erősítőkről visszaverődve a forrásba juthat, amelyet optikai egyenirányítókkal kivédhetünk. Az optikai egyenirányítást olyan anyagokon fedeztük fel, amik csak alacsony hőmérsékleten és nagy mágneses térben lehet megvalósítani. Ismerünk olyan anyagot, ahol kis mágneses tér is elegendő, sőt, ha elveszem a mágneses teret, úgy marad, tehát memóriaként működik. De ehhez még mindig alacsony hőmérséklet kell. A közelmúltban publikáltunk olyan anyagról is, ami szobahőmérsékleten tudja ezt az effektust, de még viszonylag nagy mágneses tér kell hozzá. Most azon dolgozunk, hogy ezt a két határesetet sikerüljön összeházasítani. Ahogy említettem, próbáljuk mélyebben megérteni a fizikáját is. Ez az a terület, amiről nemzetközi szinten a leginkább ismernek és elismernek bennünket.
– Hogyan tudnak továbblépni ebben a témában?
– A tudományban régóta kutatják a metaanyagokat. Ez azt jelenit, hogy nem kristályt növesztünk, hanem egyszerű fémekből kis szigetek periodikus mintázatát párologtatjuk hordozóra. Például csillag alakú mintázatokból képezünk egy periodikus rácsot. Ezt kétdimenziós metaanyagnak hívjuk. Attól függően, hogy ennek a szigetnek milyen az alakja, különböző optikai tulajdonságokkal ruházhatjuk fel.
A mi ötletünk, hogy ha ezeket a szigeteket mágneses anyagból csináljuk, akkor mesterségesen előállíthatunk multiferroikus anyagokat. Ezek szobahőmérsékleten mutatnák az optikai egyenirányítás jelenségét, és kis mágneses térrel kapcsolható lenne a fényelnyelő és átlátszó irány. Nagyon sok paraméterét lehet ezeknek a struktúráknak változtatni, ezért a BME Atomfizika Tanszéken folytatunk közös kutatásokat, ahol számítógépesen le tudják modellezni ezen anyagokat, mielőtt ténylegesen elkészítenénk őket. Így próbáljuk az optikai egyenirányítás tekintetében ideális metaanyagot megtalálni. Ha megvan, akkor megpróbáljuk őket szintetizálni.
– Sok egyéb mellett a malária diagnózisával is foglalkoznak, sőt ebben a témában innovációs díjat nyertek nemrégiben. Ez a terület hogyan kapcsolódik a mágnességhez?
– A maláriánál azt tudjuk kihasználni, hogy bizonyos véralkotók mágnesessé válnak a fertőzés következtében. Hazánkban szerencsére már nem fordul elő ez a betegség, de engem is meglepett, amikor azt olvastam, hogy csak az 1940-es években tudták teljesen felszámolni Magyarországon. Viszont a Föld lakosságának 50%-a ki van téve a fertőzés veszélyének! Ez nagyon nagy szám. A malária halálos is tud lenni, főként kisgyerekeknél és időseknél. Emellett nagyon sokan élnek úgy, hogy nem tudnak kigyógyulni belőle, és az életminőségüket nagyon lerontja.
Vannak ugyan diagnosztikai eljárások, de nincs egyszerre jó és olcsó diagnosztika. A bevált módszer, hogy megfestett vérkenetben keresik mikroszkóp alatt a fertőzött vörösvértesteket. Ez műszerigényes, és szakértő orvos kell hozzá. Vannak biokémiai módszerek, például a terhességteszthez hasonló formában, de ezek még nem elég érzékenyek és nem kvantitatívak.
A mi diagnosztikánk egy csepp vérből működik. Az első teszteket sejtkultúrákon és egereken és a kapcsolódó publikációinkra felfigyeltek világszerte. Ez egy nagyon jó példája annak, hogy a mágnesség az orvostudományban, a biológiában szerepet kap. Az általunk kifejlesztett eszköz nem csak diagnózisra, hanem gyógyszertesztekre is jó, erre nagyon bíztató előkísérleteink vannak. Egy portugál csoporttal dolgozunk együtt, ők dédelgetik a kórokozókat, mi pedig odatelepítettünk egy eszközt, és általában van egy kutatónk a helyszínen, illetve végzünk közösen is kísérleteket.
– Elég morbid kifejezés, hogy kórokozókat dédelgetnek…
– A vizsgálatnak nincsenek nagyon komoly biztonsági feltételei, sőt inkább a kórokozók védelméről kell gondoskodni, mert könnyen elkaphatnak fertőzéseket. A malária levegő útján nem fertőz és nálunk nincsenek a terjesztéshez szükséges szúnyogok. Célunk, hogy Budapesten létrehozzunk egy maláriaparazita labort, ahol a gyógyszerteszteket és a diagnosztikai eszköz továbbfejlesztését magunk tudjuk végezni. Néhány hónapja jött egy új ötlet, hogy nem magneto-optikai módon, hanem egy másik, még egyszerűbb, és nagyon érzékeny módszerrel tudnánk a maláriát diagnosztizálni. Ez is erősen megkívánná, hogy legyen itt egy malárialabor. Reméljük, hogy a BME és az Akadémia együttműködésével ez a terv meg fog valósulni.
TRUPKA ZOLTÁN
2016/24
