A holografikus mintázatok pontos ismerete lehetővé tenné az ultragyors elektronmozgások jobb modellezését, amelyek az erős térerejű attoszekundumos fotoelektron holográfia (Strong Field Attosecond Photoelectron Holography, SFAPH) alapját képezi. Ez utóbbit hatékony eszköznek tekintik az atomi és molekuláris kvantumrendszerekben lejátszódó ultragyors jelenségek dinamikus leképezésére, ami rendelkezik a dinamikus képalkotáshoz szükséges nagy időbeli és térbeli felbontással.

Ebben a munkában az erős térerejű attoszekundumos fotoelektron-holográfia numerikus vizsgálatait mutattuk be a holografikus interferencia-struktúrák elemzésével kétdimenziós fotoelektron impulzus-eloszlásban (Photoelectron Momentum Distribution, PMD). Céltárgynak hidrogénatomot, gerjesztő forrásként erős, infravörös lézerimpulzusokat használtunk. A számításokat a háromdimenziós időfüggő Schrödinger-egyenlet megoldásával végeztük el. A számítások során szinusz-négyzet burkoló felületű impulzust alkalmaztunk.

Megmutattuk, hogyan alakulnak ki az összetett interferencia-mintázatok a fél-ciklusú impulzustól a többciklusú impulzusukig. Eredményeket mutattunk be, amelyek bemutatják, hogy a PMD hogyan függ az optikai ciklusok számától, az alkalmazott lézerimpulzus intenzitásától és hullámhosszától. Ezen kívül olyan eredményeket is bemutattunk, amelyek figyelembe vették a vivőburoló felület fázisát. Ezt két értekre, 0° és 90°, közöltük.

Számításaink alapján megmutattuk, hogy az optikai ciklusok száma felelős a legismertebb holografikus struktúrák kialakulásáért. A PMD a háromciklusú impulzus esetében egy érdekes tulajdonságot mutat, nevezetesen azt, hogy a pókszerű, halszálkaszerű, pajzsszerű és legyezőszerű holografikus struktúrák ugyanabban a mintázatban azonosíthatók, jelezve, hogy a három ciklusú impulzusa igen jó pulzusjelölt lehet a holografikus struktúrák vizsgálatához. Ebben az esetben azt is meg kell említeni, hogy a küszöb feletti ionizációs (Above-Threshold Ionization, ATI) gyűrűk kevésbé hangsúlyosak, és nem mossák el a holografikus mintákat.

Többciklusú impulzusok esetén az ATI gyűrűs szerkezeten kívül a legyezőszerű és pókszerű lábak is jól azonosíthatók, de a halcsontszerű szerkezet és a pajzsszerkezet nem látható. A lézerimpulzus intenzitásának és hullámhosszának a PMD-re gyakorolt hatása azt mutatja, hogy ezek felelősek a holografikus struktúrákban lévő interferencia-peremek sűrűségéért. Azt tapasztaltuk, hogy a legyezőszerű szerkezet nagyon érzékeny a hullámhossz változására. Érdekes még megjegyezni, hogy ez a legyezőszerű szerkezet hosszabb hullámhosszak alkalmazásával eltűnhet.

Amikor egy heterogén anyagból álló szilárdtest (például egy szikladarab) ütközik egy másik testtel vagy egy kemény fallal, az ütközés sebességétől függően a folyamat kimenetele alapvetően kétféle lehet: alacsony sebesség esetén a test csak károsodik, azaz kisebb darabok szakadnak le róla, de mindig lesz egy, az eredetivel összemérhető tömegű maradvány. Ezzel szemben nagy sebességen jelentős számú repedés keletkezik, amelyek mentén a test sok apró darabra esik szét, fragmentálódik. A károsodás és fragmentáció fázisai közötti átmenet egy kritikus sebességnél következik be. Szilárdtestek ütközések által okozott károsodása és fragmentációja nagyon fontos szerepet játszik geológiai környezetünk fejlődésében: egy folyómederben hordalékszállítás közben lejátszódó alacsony energiás ütközések határozzák meg a részecskék (homokszemek, kavicsok) alakjának fejlődését, befolyásolják a vulkánkitörésekkor keletkező piroklasztikus részecskék mennyiségét, sőt a Naprendszerben távolabbra tekintve ezek az ütközési jelenségek felelősek az aszteroidák méretének és alakjának ma megfigyelhető jellemzőiért is. Az ütközések által okozott törési jelenségeket kiterjedten használják az iparban is, például az ércfeldolgozás (aprítás, őrlés) során. 

A projekt keretében a geológiai alakfejlődés szempontjából kiemelt jelentőségű károsodási fázis szerkezetét igyekeztünk feltárni. Ehhez szikladarabok kemény fallal történő ütközésének sorozatait állítottuk elő számítógépes szimulációval úgy, hogy a károsodási fázisban keletkező nagytömegű maradványt véletlenszerű orientációval, de a korábbival egyező sebességgel ismételten ütköztettük a fallal. Azt találtuk, hogy az ütközési sorozatnak két végállapota lehetséges: alacsony sebességen a maradvány tömege fokozatosan csökken, de konvergál egy véges határértékhez, míg magasabb sebességen a maradvány véges számú ütközésben megsemmisül. Megállapítottuk, hogy az ütközések által indukált törési jelenségek károsodási fázisa további két fázisra bomlik: a végtelen életidejű maradvánnyal jellemzett sebességtartomány a kopási jelenségek fázisaként azonosítható, míg véges életidő esetén az ismételt ütközések úgynevezett töredezést okoznak. Megmutattuk, hogy a tömegfogyás karakterisztikus ideje az ütközés sebességének hatványfüggvényeként csökken. Feltártuk, hogy a kopási fázisban a maradvány egy robusztus alakfejlődésen megy keresztül, ahol először a test csúcsai és élei kopnak le, ezután fokozatosan leválik a teljes eredeti felület, majd a test zsugorodni kezd egy közel izotróp alak felé. Kvantitatív eredményeinkkel fizikai megalapozását adtuk az úgynevezett görbület által hajtott alakfejlődés matematikai elméletének.

Az ionnyaláb-analízis (IBA) fontos szerepet játszik a kulturális örökség tárgyainak elemzésében, ami az IBA-alkalmazások folyamatosan növekvő számában tükröződik ezen a területen. Az IBA sikerének fő oka az, hogy abszolút elemkoncentráció-adatokat szolgáltat, ezenfelül információt nyújt az elemek eloszlásáról, viszonylag nagy az érzékenysége a könnyebb elemek esetében is, továbbá alkalmazható mind vákuumban mind atmoszférán. Az IBA-létesítmények, mint amilyenek az ATOMKI gyorsítóinál összeállított mérőelrendezések (korábban a Van de Graaff gyorsítóberendezésnél, jelenleg a Tandetron Laboratóriumban), fokozatosan alkalmazkodtak az egyedi és gyakran törékeny művészeti és régészeti tárgyak vizsgálatának követelményeihez, biztosítani tudják az egyidejű és egymást kiegészítő technikák, valamint a jó térbeli felbontású térképezési lehetőségek kombinációját. Az IBA-módszerek roncsolásmentesnek tekinthetők, mivel nincs szükség mintavételre. Az elemzés során az intenzív sugárzásnak az anyagra gyakorolt hatása és az anyagmódosítás lehetséges kockázatai azonban egyre nagyobb figyelmet keltenek az ezen a területen dolgozó kutatók körében.

Az IPERION CH és IPERION HS európai projektek keretében a pergamen ellenálló képességét vizsgáltuk protonbesugárzás által okozott esetleges károsító hatásokkal szemben. A pergamen egyedülálló történelmi kéziratok formájában van jelen kulturális örökségünk tárgyi emlékei között. Egy szerves, fehérjealapú anyag, így érzékenynek tekinthető. Szisztematikus besugárzásokat végeztünk a szokásos analitikai dózistartományban és azon túl, a változásokat optikai és elektronmikroszkóp segítségével követtük. Bizonyos dózis felett egyértelmű elváltozások jelentek meg a minta felszíne alatt, holott kívülről nem látszott károsodás. Ez az ionnyalábok azon tulajdonságával magyarázható, hogy energiájuk nagy részét útjuk végén adják le az anyagban. A kísérletek során a potenciális változások követésével megadtuk az elemzések biztonságos határát az általunk alkalmazott mérési körülményekre.

A jelenkori magszerkezetkutatás egyik fontos területe a kétszer mágikus ⁷⁸Ni atommag közelébe eső egzotikus, neutrongazdag atommagokra vonatkozó egyrészecske-energiáknak, valamint ezen magok kollektív tulajdonságainak a feltárása. Az egyrészecske-energiák alakulásáról alapvető információt a páratlan tömegszámú atommagok alacsony és közepes spinű állapotai szolgáltatnak.

Magasan gerjesztett magállapotok előállításának napjainkban leginkább használt módja a nehéz-ion magreakciók alkalmazása, azonban a stabilitási sávtól távol eső kérdéses magtartomány neutrongazdag atommagjainak előállítása ezen magreakciók segítségével csak korlátozottan lehetséges. Erre a célra speciális lehetőséget nyújt a nehéz radioaktív atommagok kisenergiás neutronokkal történő, ún. indukált hasítása, melynek során a hasadási termékek magasan gerjesztett állapotai is előállnak. Ezen magállapotok bomlásakor keletkező gamma-sugárzás detektálása révén a keletkező, neutronban gazdag atommagok szerkezete tanulmányozható.

Az ATOMKI Magspektroszkópiai csoportja, nemzetközi együttműködés keretében a franciaországi Grenoble-ban lévő Institut Laue-Langevin (ILL) intézetben végrehajtott kísérletsorozat részeként a neutrongazdag Br izotópok magszerkezeti vizsgálatát tűzte ki célul. Az ILL-ben működő nagy fluxusú atomreaktor PF1B berendezése által szolgáltatott hideg-neutron nyalábot használták a speciális geometriában elhelyezett 235-ös tömegszámú dúsított urán céltárgy indukált hasadásának előidézésére. Az ennek során keletkező atommagok gamma-bomlását az EXILL detektorrendszerrel vizsgálták, amely több, a háttér csökkentése érdekében Compton-elnyomással rendelkező szegmentált, hipertiszta germánium-detektor együttese volt. A detektorrendszer speciális digitális adatgyűjtő rendszere lehetővé tette a hasadási termékek koincidencia módszerre alapozott azonosítását az általuk kibocsátott gamma-sugárzás energiájának és időpontjának detektálása révén.

A mérés segítségével elsőként figyeltek meg gerjesztett állapotokat a neutrongazdag ⁸⁹Br atommagban. A gamma-koincidencia mérésre alapozott nívósémát, a ⁸⁷Br atommag ugyanebből a méréssorozatból kapott nívósémájával együtt a csatolt ábra mutatja, melyen szembeötlő a két nívóséma nagy fokú hasonlósága, ami egyben alapját képezte a ⁸⁹Br nívószerkezete értelmezésének.

A ⁸⁹Br kísérletileg meghatározott nívóenergiáit, valamint a gerjesztett nívókhoz a ⁸⁷Br nívósémájához való hasonlóság alapján rendelt ideiglenes spin és paritás értékeket a napjainkban szokásos héjmodell-számítás eredményeivel vetették össze. A számítások, melyekben a zárt törzsű ⁷⁸Ni atommagon kívüli 1f5/2,2p3/2,2p1/2,1g9/2 valencia-proton és a 2d5/2,3s1/2,1g7/2,1d3/2,1h15/2 valencia-neutron pályákat vették figyelembe, mindkét atommag nívósémája alacsony-energiás részén jó egyezést mutattak a kísérleti adatokkal, s egyértelmű egyrészecske-konfigurációk hozzárendelését eredményezték. A 9/2+ nívóra épülő, πg9/2 konfigurációjú bomlási sávok esetén a gerjesztési energia függvényében növekvő eltérés adódott a kísérletileg kapott és az elméletileg jósolt értékek között. Ennek magyarázata lehet, hogy a bomlási sávokat értelmező egyrészecske-konfigurációk összetettsége alapján ezen atommagokban kollektív gerjesztések várhatók, amit a modell-tér korlátozottsága miatt a számítások nem tudtak reprodukálni.

A neutronbefogások sorozatával zajló asztrofizikai s-folyamat felelős a vason túli izotópok mintegy felének szintéziséért. Az e folyamatban termelt izotópok gyakorisági eloszlása viszonylag jól leírható mindössze egyetlen csillagfejlődési eseménnyel. Az úgynevezett aszimptotikus óriáságbeli csillagok (AGB) bizonyos rétegeiben játszódik le a ¹³C(α,n)¹⁶O reakció, ami a neutronokat biztosítja az s-folyamathoz. E reakció sebességének pontos ismerete szükséges ahhoz, hogy megbízhatóan modellezhessük az s-folyamatot és kiszámíthassuk a kialakult nehéz elemek gyakoriságát. A reakciósebességet a ¹³C(α,n)¹⁶O hatáskeresztmetszetének ismeretében tudjuk kiszámítani.

Az olaszországi Gran Sasso d’Italia hegység gyomrában található Gran Sasso-i Nemzeti Laboratóriumban (LNGS) a neutronháttér mintegy milliomod része a földfelszínen mérhetőnek, köszönhetően az 1400 méternyi kőzet kozmikus sugárzással szembeni árnyékoló hatásának. A különleges, földalatt üzemelő részecskegyorsítóval a LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) együttműködés, az ATOMKI kutatóinak részt vételével, elsőként valósította meg a ¹³C(α,n)¹⁶O reakció hatáskeresztmetszetének a Gamow-ablakban, azaz az E_c.m.=140-230 keV asztrofizikailag releváns energiatartományban való direkt mérését. Ehhez 18 darab alacsony hátterű, ³He töltésű számlálóra alapozott neutrondetektorból álló rendszert használtunk.

Az új eredményekre alapozott reakciósebességek hatását több csillagfejlődési modellel is ellenőriztük. A Naphoz hasonló összetételű csillagokra számottevő eltérést találtunk néhány olyan izotóp esetében, amelyek csillagokban való keletkezését jelentősen befolyásolja a környezet neutronsűrűségére érzékeny elágazási pontok szerepe. Ezen izotópok közül is kiemelten érzékenynek bizonyult a ⁶⁰Fe, ²⁰⁵Pb és a ¹⁵²Gd. Eredményeink révén pontosabb képet kapunk a nehézelemek AGB csillagokban történő keletkezési folyamatairól.

2016-ban, az ATOMKI-ben, a ⁸Be atommag nagy energiájú átmeneteinek vizsgálata során, megfigyeltünk egy olyan új anomáliát, amit csak egy új részecske keletkezésével és elektron-pozitron párra történő bomlásával tudtunk megmagyarázni https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.042501. Kiderült, hogy ez lehet az első jelzés egy új, 17 MeV/c² tömegű elemi részecskére, amelyet X17-nek neveztek el. Az X17 részecske lehetséges kapcsolata a sötét anyaggal nagy érdeklődést váltott ki.

Az elmúlt évek során továbbfejlesztettük az elektron-pozitron pár spektrométerünket, új plasztik szcintillátorokkal, gyors fotoelektron-sokszorozókkal és helyérzékeny Si detektorokkal cseréltük fel a korábbi detektorainkat.  A felújított spektrométerünkkel, az ATOMKI új Tandetron Gyorsító Laboratóriumában, különböző bombázó energiáknál vizsgáltuk a 3H(p,e⁺e^-)⁴He magreakciót.  A keletkezett e⁺ e^- párok szögkorrelációjában ~115^o-nál minden bombázó energia esetén szignifikáns eltérést figyeltünk meg a szimulált értékektől. Ezek az anomáliák, a korábban megfigyelthez hasonlóan az X17 részecske létezésével magyarázhatók, ami valóban jelentős szerepet játszhat a sötét anyag értelmezésében. A kísérleti eredményeink azt is valószínűsítik, hogy ez a részecske vektor jellegű, ami egy új, 5. alapvető kölcsönhatás bevezetését teheti szükségessé.