A kvantummechanika tanítása szerint egy fizikai rendszer viselkedését annak energiaoperátora (máskent: Hamilton-operátora) kormányozza. Ha ez az operátor rendelkezik valamilyen szimmetriával, de a rendszer alapállapota nem mutatja ezt a szimmetriát, akkor azt mondjuk, hogy a szimmetria spontán sérül. Például: a nukleonok között működő kölcsönhatás gömbszimmetrikus, de ha a soknukleon-rendszer (vagyis az atommag) alapállapota nem gömbszimmetrikus, akkor a gömbszimmetria spontán sérül. Ez a helyzet a létező atommagok döntő többségében.

A fizikusok már régen felismerték, hogy a magok deformációja a spontán szimmetriasértés következménye, és azt többféle elmélet keretében elemezték. A jelen munka három szempontból hozott újdonságot:

1. Korábban csak a magok kvadrupólus deformációját vizsgálták a szimmetriasértés szemszögéből. Ez a legáltalánosabb  magdeformáció. Tipikus megjelenése (a gömbölyűhöz képest) megnyúlt, vagy belapult alak léte. Ez a munka tárgyalja  nemcsak a kvadrupólus, hanem az oktupólus (körte alakú), valamint a molekulaszerű (vagy kristályszerű) konfigurációk megjelenését is, mint a spontán szimmetriasértés  következményét.

2. A cikk másik újdonsága az, hogy a spontán szimmetriasértést az Elliott-modell keretében tárgyalja. Az Elliott-modell a magszerkezetnek az egyik legrégebbi (1958-ban született) modellje, és egyúttal az egyik legfontosabbika. Ez a modell világította meg elsőként a kapcsolatot a magok kollektív viselkedése (alakja, forgása), és a nukleonok egyéni szabadsági fokai között. A legtöbb magszerkezet-tankönyv ismerteti Elliott modelljét. Ezért voltaképpen nagyon meglepő, hogy a spontán szimmetriasértést e modell keretében eddig még nem ismerték föl, miközben újabb, és bonyolultabb elméletek keretében már elemezték. 

3. Az Elliott-modell az algebrai (szimmetriamegfontolásokon alapuló) magmodellek prototípusa. Ennélfogva, a spontán sértés ilyetén tárgyalása egyszerűen átvihető más algebrai modellekre is.

A dolgozat érdekes lehet módszertani, vagy akár pedagógiai szempontból is. Ugyanis egy egyszerű modell keretében írja le részletesen a spontán szimmetriasértést. Talán egyszerűbben és áttekinthetőbben, mint az eddigi tárgyalások. Márpedig a spontán szimmetriasértés nagyon fontos jelenség,
a fizika több ágában is. Köztudottan ez a felelős (többek között) a mágnesezettségért, a szuperfolyékonyságért, a szupravezetésért, és az elemi részecskék tömegéért is. 

A fogászatban leggyakrabban titánt és ötvözeteit, valamint cirkónium kerámiákat alkalmaznak implantátumok és fogpótlások anyagaiként.  Széleskörű fogászati felhasználásuk kulcsa biokompatibilitásukban rejlik. A pótlások élettartamának növelése érdekében elengedhetetlenül fontos, hogy megerősítsük a kerámia alapú protézisek és ragasztóanyagaik közti kötést, növeljük a ragasztás szilárdságát.

Ennek érdekében, az Atomki elektron-ciklotronrezonanciás (ECR) ionforrásának segítségével létrehozott szilícium és oxigén ionnyalábokkal lőttünk be cirkónium kerámiákat, ezzel módosítva a felszínek anyagi összetételét a felső néhány 10 nm-ben. A szilícium ionok előállítása SiH₄ (szilán) gázból történt. Az ionnyaláb többféle töltésállapotú (általában 1-től 5-ig) szilícium iont tartalmaz, ezek behatolási mélysége cirkóniumba eltérő. Mélységi eloszlásuk az ECR ionforrás feszültségével (vagyis a nyaláb energiájának változtatásával) pontosan szabályozható.

Cikkünkben bemutatjuk, hogy a besugárzási körülmények (nyalábenergia, szilícium ionok mennyisége, elő- és utókezelés, stb.) hatására hogyan változnak a cirkónium minta fizikai tulajdonságai, valamint az alkalmazhatóság szempontjából legfontosabb paramétere, ragaszthatóságának erőssége.

Az hamar bebizonyosodott, hogy a szilíciummal nem kezelt cirkónium felületek nyírószilárdsága elmarad a szilíciummal implantált felületekhez képest. Az 1x10¹⁷ ion/cm² dózisú besugárzásokat követő nyírószilárdság mérések ezt követően egyértelműen körülhatárolták az optimális implantációs körülményeket: 3 kV kivonófeszültség, kombinált (szilícium és oxigén) ionbesugárzás, oxigénes fellevegőzés.

A jelenleg még alapkutatási fázisban lévő munkánkat terveink szerint folytatjuk a gyakorlati alkalmazhatóság irányába. Az ebben a cikkben bemutatott eredmények egyben jó példák arra, hogy egy eredetileg teljesen más célból létrehozott berendezést (az ECR ionforrás általában nagy nukleáris részecskegyorsítók első eleme) kis módosítással sikeresen alkalmazhatunk más területeken is.

A nem gömb alakú atommagok legkisebb energiájú gerjesztett állapotaihoz tartozó mozgásforma a forgás. A gömbszimmetrikus atommagok a kvantummechanika szerint nem foroghatnak, hiszen egy gömbszimmetrikus kvantummechanikai rendszer térbeli elforgatása nem eredményez új állapotot. A nem gömb alakú atommagok többségének az alakja közelítőleg forgási ellipszoid, azaz az egyik tengelye körül megforgatott ellipszis (szivar alak). Az ilyen alakú atommagok a szimmetriatengelyre (azaz a szivar hossztengelyére) merőleges tengely körül foroghatnak, amely forgástengely iránya egybeesik a perdületvektor irányával, és a térben állandó.  

A legújabb atommag-elméletek szerint bizonyos neutronszám és protonszám tartományba tartozó atommagok alakja nem forgási ellipszoid, hanem háromtengelyű ellipszoid. Az ilyen atommagok a fentebb leírt forgáson kívül egy bonyolultabb forgást is végezhetnek: gyorsan forognak az egyik főtengely körül és ez a forgástengelyük a térben állandó perdületvektor körül lassabban körbefordul. Ez némileg hasonló a Föld forgástengelyének elfordulásához az állócsillagokhoz képest és a magfizikai szakirodalomban imbolygó forgásnak nevezik. Ilyen forgást eddig nagyon kevés atommag esetén sikerült kimutatni, a ~100 nukleont tartalmazó atommagok tartományában pedig egyáltalán nem volt ismert.

Az MTA Atomki kutatói nemzetközi együttműködésben vizsgálták a 105-ös tömegszámú, azaz 46 protont és 59 neutront tartalmazó palládium atommag forgását. Kísérletileg meghatározták a gerjesztett állapotok azon új csoportját, amely az imbolygó forgáshoz tartozhat, valamint az ezen állapotok bomlásából származó gamma-sugárzások tulajdonságait. A kísérletben a franciaországi IReS kutatóintézet részecskegyorsítóját és a nemzetközi együttműködésben létrehozott EUROBALL gamma detektorrendszert, valamint a DIAMANT töltött-részecske detektort használták. Ez utóbbinak a kifejlesztésében az MTA Atomki kutatói szintén vezető szerepet játszottak.

A kapott kísérleti eredmények jó egyezésben vannak az atommag-elméleti számítások előrejelzéseivel és bizonyítják a 105-ös tömegszámú palládium atommag háromtengelyű ellipszoid alakját, valamint az imbolygó forgás jelenlétét. Ez volt az első olyan kísérlet, amelyben az imbolygó forgást egy páratlan számú neutront tartalmazó atommagban figyelték meg. Az eredmények megerősítik azt az elméleti előrejelzést, hogy az imbolygó forgás általános jelenség a háromtengelyű ellipszoid alakú atommagok esetén.

     A fogászati implantátumok fejlesztése a fogorvostudomány napjaink egyik legintenzívebben fejlődő kutatási területe. Az implantátumok túlnyomó többsége titán vagy titán-alapú ötvözetből készül, megfelelő mechanikai szilárdságú, nem mágnesezhető és korrózióálló. Kitűnő tulajdonságai mellett azonban biológiai környezetben semleges tulajdonságokat mutatnak, ami károsan hat az implantátum és a környező csontszövet optimális kapcsolódására. A terhelhetősége és a hosszú élettartama szempontjából tehát kulcskérdés a beültetett implantátum csontszövetbe történő integrálódása (osszeointegrációja), a megfelelő biológiai kapcsolat kialakítása. Emellett, mind a fogorvosok, mind pedig a betegek részéről érthető igény a csontosodási idő lerövidítése anélkül, hogy ez a beültetés sikerességet rontaná. Ebből adódóan a kutatások jelentős része a felület fizikai, kémiai módosításán keresztül kívánja növelni a bioaktivitást és az csontosodási hajlamot.

Az implantátumok felületmódosítása során a felületre olyan bioaktív anyagokat visznek fel, melyek segítik a csontsejtek növekedését és a csontregenerációt.  Például kalcium-szilikát tartalmú vegyületek esetén bizonyított a kiváló bioaktivitás. Kézenfekvő tehát, hogy a fogászati implantátumok felületeit beültetés előtt kalcium-szilikáttal vagy annak valamilyen vegyületével kezeljük.

     Ebben a munkában titán felületen olyan nanostruktúrált kalcium-szilikát (CaSi) vékonyréteg kialakítása volt a cél, amely antibakteriális és csontgyógyulást serkentő hatással bír. Az együttműködő partner által a korábbi eljárásokhoz képest olcsóbb és környezetbarát úton [C.C. Chen, Ceramic International 41 (2015) 5445] előállított kalcium-szilikát por alkalmazásával eljárást dolgoztunk ki nanostrukturált vékonyréteg létrehozására. Munkánk során megépítettük az eszközt és kidolgoztuk az optimális működési paramétereket az elektrosztatikus szórás („electrospray”) alkalmazására. A bevonatolt Ti lemezeket különböző hőmérsékleteken hőkezelve kerestük meg azt a hőmérsékleti tartományt, ahol a Ti lemezen a kívánt rutil fázisú TiO₂ legalább 1 um vastagságúra növekszik, de ugyanakkor a CaSi rétegben nem történik jelentősebb változás. A mintákat szerkezeti változásait röntgendiffrakcióval, az összetevők kémiai változásait Raman-spektroszkópiával, a felületi morfológiát pedig pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáltuk.

     Megállapítottuk, hogy a 700 és 800 ^oC-on hőkezelt mintákban a TiO₂ réteg vastagsága elérte a 1.5 um-t, ami alkalmazás szempontjából már elfogadható. Mindeközben az eredeti rétegre jellemző β-Ca₂SiO₄ fázis megmaradt, bár csekély mértékű oxidációja megfigyelhető volt, az ennél magasabb hőmérsékleten (900 ^oC) pedig átalakult a biokompatibilitási szempontból kedvezőtlenebb CaSiO₃ és Ca₃SiO₄ fázisokra. Mivel alacsonyabb hőmérsékleteken a TiO₂ rétegvastagság kialakulásának mértéke nem volt megfelelő, így a bevonatolt Ti lemezek utólagos hőkezelését 700-800 ^oC tartományban találtuk optimálisnak. Vizsgáltuk a rétegek Ti, illetve TiO₂ réteghez való kötésének erősségét is. Az eredmények azt mutatták, hogy a 800 ^oC-os hőkezeléssel a kezdeti 2.6 MPa értékről 9.5 MPa-ra növekedett.

A mikro/nanofluidika, a mikro/nanooptika, és a mikro/nanomechanikai (MEMS/NEMS) rendszerek területén bekövetkező gyors fejlődés a lithográfiai technikák folyamatos fejlődését is megköveteli. Ez nem csak a különböző besugárzási technikák fejlesztését jelenti, hanem az új, besugárzásra érzékeny, úgynevezett rezisztanyagok felkutatását és fejlesztését is. Új rezisztanyagok bevezetésével egyre kisebb és egyre jobb minőségű mikrostruktúrák állíthatók elő, illetve a lithográfiai eljárások egyszerűbbé, megbízhatóbbá válhatnak.

A poli-dimetil-sziloxán (PDMS) a legelterjedtebben használt szilícium alapú, szerves, térhálósodó polimer. Annak ellenére, hogy számos tudományterületen (pl. mikrofluidika, nanomegmunkálás) széles körben használják, általában öntőformaként vagy kiöntő anyagként szolgál. Az elmúlt néhány évben többeknek sikerült ugyan folyékony PDMS-ből mikrostruktúrákat létrehozni, de a szilárd, térhálósodott, adalék-mentes PDMS-t eddig még senkinek nem sikerült pozitív rezisztként előhívnia.

Ebben a cikkben a szerzők két előhívási módszert mutatnak be arra, hogy hogyan lehet a szilárd, térhálósodott, adalék-mentes PDMS-t pozitív rezisztanyagként előhívni és mikrostruktúrákat létrehozni benne. Pozitív rezisztként történő előhíváskor a besugárzott helyeken nedveskémiai eljárással eltávolítjuk a kémiailag módosult polimert, így előre definiált, tetszőleges mintázatban kinyithatjuk a PDMS réteget. A mikrostruktúrákat 7 mm és 45 mm vastag poli-dimetil-sziloxán rétegekben hozták létre, amelyeket teljesen a hordozóig átmarattak. Az előhívott alakzatok oldalfala sima és függőleges, az átmérőjükhöz képest mély lyukak is jó minőségben kimaródtak a szubsztrátig. A cikkben bemutatott előhívási módszerek lehetővé teszik, hogy a jövőben a szilárd, térhálósodott, adalék-mentes poli-dimetil-sziloxánt számos területen alkalmazzák a lithográfiában, például mikro és nanostruktúrák létrehozására.

A radioaktív ionnyalábokon végzett kísérletekben a stabil izotópoktól nagyon eltérő proton/neutron arányú atommagok vizsgálata is lehetővé vált. Ezekben az egzotikus atommagokban számos, a stabilitási sáv mentén nem tapasztalt jelenséget figyeltek meg. A magfizika egyik alapvető modellje, a héjmodell szerint az atommagot alkotó protonok és neutronok, vagyis a nukleonok energiaszinteken, pályákon helyezkednek el. A pályák csoportosulva héjakat alkotnak, amelyeket nagyobb energiaközök választanak el egymástól. Minden pályán csak bizonyos, a kvantummechanika szabályai szerint meghatározott számú proton vagy neutron tartózkodhat. Az igen nehezen gerjeszthető, a környezetüktől sokkal stabilabb atommagokban a héjak teljesen fel vannak töltve, azokon a lehetséges maximális számú proton és neutron tartózkodik.

A stabilitási sáv mentén elhelyezkedő atommagokban az energiaszintek változása jól ismert mind kísérletileg, mind elméletileg. Azonban már az első radioaktív ionnyalábos kísérletekben megfigyelték, hogy a neutrontöbblet növelésével az atommagokban a pályák energiái fokozatosan módosulnak, ami kihat az atommagok szerkezeti tulajdonságaira, azok stabilitására is. A legújabb elméleti kutatások szerint a neutrongazdag atommagokban az energiaszintek módosulását az okozza, hogy a nagy neutrontöbblet miatt a neutronok a következő főhéjon a protonokéval erősen átfedő pályán helyezkednek el. Ebben az esetben láthatóvá válik az ú.n. tenzor kölcsönhatás eredménye, amely a neutronok és protonok között hat egy töltött pion cseréjével. A pioncserés kölcsönhatás a protonok és neutronok relatív spinbeállásától függően vonzó vagy taszító, változtatva ezzel a spin partner pályák energiaközeit is.

Az MTA Atommagkutató Intézet Magfizikai Laboratóriumának Magspektroszkópiai kutatócsoportja már évtizedek óta kutatja a neutrontöbbletes atommagokat radioaktív ionnyalábos kísérletekben. A Cu-77 atommag szerkezetét a japán Radioaktív Izotóp Nyaláb Gyárban, RIKEN-ben végzett 1 proton kilökéses mérésben vizsgálták gamma-spektroszkópiai eszközökkel. Miután azonosították a Cu-77 atommag alacsonyan fekvő gerjesztett állapotait, az alkalmazott reakció szelektív jellegének köszönhetően meg tudták határozni, hogy ebben az izotópban milyen pályákon tartózkodnak a protonok és energiában hol helyezkednek el ezek a pályák. Összehasonlítva a kapott energiakülönbségeket a stabilitási sáv mentén előforduló értékekkel azt találták, hogy a legkülső spin partner pályák közötti energiakülönbség körülbelül a felére csökken a stabilitási sáv és az ettől távoli egzotikus atommagok között, ami összhangban van a tenzor erő várt hatásával.