A körülöttünk levő tárgyak térbeli elhelyezkedéséről általában az általuk kibocsátott, vagy a rajtuk szóródott sugárzás révén szerzünk tudomást. A sugárzásnak a legtöbb esetben csak az intenzitását (vagy pontosabban annak hely szerinti eloszlását) érzékeljük vagy mérjük. Elveszítünk azonban egy fontos információt, azt hogy az egyes hullámok egymáshoz képest milyen időbeli eltolódással érkeznek, vagyis a hullám fázisát. Ennek általában az a következménye, hogy a háromdimenziós tárgyakról csak kétdimenziós képet kapunk. Amikor a szilárd anyagokban az atomok helyét akarjuk meghatározni diffrakciós módszerekkel, akkor a fázisok ismeretenének hiánya komoly problémákat okoz.

A megoldás a problémára a holográfia, amit Gábor Dénes talált fel 50 évvel ezelőtt [1]. A holográfia alapelve nagyon egyszerű: a tárgyról szórodott fényhez egy azzal koherens referencianyalábot keverünk és a keletkező interferenciaképet rögzítjük. A hologram a fény intenzitásáról és fázisáról is tartalmaz információt és belőle visszaállítható a tárgy háromdimenziós képe. A holográfiai módszerek alkalmazása atomi méretekre nem egyszerű. Először is rövidebb hullámhosszú sugárzást, elektron vagy röntgensugárzást kell alkalmazni. A hagyományos elrendezés esetén az interferenciacsíkok olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy detektálásuk komoly nehézséget okoz. Lágy röntgensugárzás felhasználásával szinkrotron sugárforrásoknál ily módon néhány száz angström felbontást sikerült elérni [2].

Ahhoz, hogy ezen a mérethatáron átlépjünk, és bejussunk az angström nagyságú atomok világába, egy új ötletre volt szükség. Az ötlet Abraham Szőkétől, egy Kaliforniában élő (szintén magyar származású) fizikustól származik [3]. Azt javasolta, hogy legyen a sugárzás forrása magának a vizsgálni kívánt anyagnak az egyik atomja. Az atom által kibocsátott sugárzás egy része kölcsönhatás nélkül lép ki az anyagból, ez a referencia nyaláb. A sugárzás másik része szóródik a környező atomokról. A kettő interferenciája a hologram, amely tartalmazza a sugárzó atom környezetére vonatkozó összes információt.

Egy atom, mint sugárforrás nagyon gyenge jelet adna, ezért nagyon hosszú ideig kellene mérni. Ha azonban a vizsgálandó anyag egy kristály, melynek minden sugárzást kibocsátó atomjának ugyanolyan a környezete, akkor az erről a környezetről készült hologramok intenzitása összeadódik.

A fenti elgondolást először elektronokkal valósították meg, mivel az elektronok erősebben szóródnak az atomokon [4]. A röntgensugárzás kölcsönhatása az atomokkal sokkal gyengébb és ez több nehézséget okoz. Az intenzitásváltozás a hologramban nagyon kicsi, ezrelék nagyságrendű, ezért nehezen mérhető. A röntgen fotonok nagy szabad úthossza miatt a hologram nem csak az atom közvetlen környezetéről, hanem egy jóval nagyobb tartományról tartalmaz információt. A nagy tömegű információból nem látszik egyszerű feladatnak a minket érdeklő rész kiszűrése. Ezenkívül a kristály periódikus rendje következtében a képen körök és ellipszisek (az un. Kossel vonalak) jelennek meg, és ezek sokkal erősebbek, mint a hologram. Nehézséget okoz a minta abszorpciója is, amely szintén nagyságrendekkel erősebb effektust okoz, mint a hologram.

Meg lehet azonban mutatni, hogy - a fenti nehézségek ellenére - lehetséges atomi felbontásű röntgen hologram készítése [5]. A hologram térbeli spektrális eloszlásának a vizsgálata azt mutatta, hogy a forráshoz közeli atomokról az alacsony frekvenciájú komponensek hordoznak információt. Így ha a hologramból kiszűrjük a nagyfrekvenciás összetevőket, akkor a maradékból már vissza lehet állítani a közeli atomi rend háromdimenziós képét.

Az első mérést egy stroncium titanát egykristályon végeztük [6]. A kristály stroncium atomjait egy hagyományos röntgengenerátor monokromatizált sugárzásával gerjesztettük. A stroncium atomok által kibocsátott fluoreszcens sugárzás szögeloszlását mértük. A mért adatokból az abszorpció korrekciója után kapott hologramból rekonstruáltuk a forrás körüli stroncium atomok háromdimenziós képét.

Az első mérés óta, amely a módszer megvalósíthatóságának demonstrálására szolgált, több irányban történt előrelépés. Az egyik fejlemény, hogy a mérés megfordításával (a forrás és a detektor felcserélésével) lehetséges több különböző energián elvégezni a mérést, amely javíthatja a kép minőségét [6]. A kezdeti többhónapos mérési időt sikerült néhány napra csökkenteni. Erősebb sugárforrás (szinkrotron) felhasználásával és a detektorok fejlődésével további jelentős csökkentést lehet elérni. A fejlődés egy másik lehetséges útja az atommagok gamma sugárzásának felhasználásával készíteni hologramot. A nukleáris rezonanciaszórás akár egy nagyságrenddel is nagyobb lehet, mint az elektronokon történő szórás. Ez a hologramban is sokkal nagyobb változásokat idéz elő, ami megkönnyíti a mérést. E szórás másik nagy előnye, hogy érzékeny a kristály belsejében található mágneses térre, így vizsgálható a kristály mágneses szerkezete is. Az első ilyen jellegű kísérletet - javaslatunk alapján - egy lengyel kutatócsoport tavaly végezte el [6].

Hivatkozások:

[1] D. Dabor, Nature 161, 777 (1948).

[2] M. Howels, C. Jacobsen, J. Kirz, R. Feder, K. McQuaid and S. Rothman, Science 238, 514 (1987).

[3] A. Szöke, in Short Wavelength Coherent Radiation: Generation and Applications, T. Attwood, J. Booker (eds), AIP Conference Proceedings No. 147, New York (1986), p.361.

[4] M. Tegze and G. Faigel, Europhys. Lett. 16, 41 (1991).

[5] M. Tegze and G. Faigel, Nature, 380, 49 (1996).

[6] T. Gog et al. Phys. Rev. Lett. 76, 3132 (1996).

[7] P. Koreczki, J. Koreczki and T. Slezak, Phys. Rev. Lett. 79, 3518 (1997).