A kvantumfizikában egy tipikus kísérlet úgy kezdődik, hogy a laboratóriumi berendezéseket egy bizonyos állapotba állítjuk be (preparálási fázis). Ugyanakkor a kísérletet egy mérés zárja le (mérési fázis). Amikor ezen két feladatot különböző kísérletezőkre osztjuk, azaz amikor az egyik kísérletezőt bizonyos kvantumállapotok előkészítésére, a másikat pedig a mérések elvégzésére kérjük fel, akkor az úgynevezett preparálj-és-mérj (PM) elrendezést alkalmazzuk (lásd az ábra tetején).

 Ez a paradigma számos, a kvantuminformációelmélet számára érdekes protokollt modellez, a kvantumkulcsok elosztásától a szupersűrű kódoláson át a véletlenszerűség hitelesítéséig és a kvantummetrológiáig (lásd az ábrát).

Az olyan kommunikációs protokollt, amely nem támaszkodik sem az állapotot előállító, sem a mérőkészülékek jellemzésére, eszközfüggetlennek nevezzük. Ezen protokollok biztonságát így kizárólag a mérési statisztikák garantálják. Sajnos a PM protokollok nem lehetnek teljesen függetlenek az eszközöktől, mivel tetszőlegesen nagy klasszikus memória mindig elegendő ahhoz, hogy reprodukálja az összes lehetséges mérési statisztikát. Kidolgozhatóak azonban úgynevezett félig eszközfüggetlen protokollok, amelyek a mérési statisztikán kívül még bizonyos feltételezésekre támaszkodnak az állapotelőállítással vagy a mérőeszközökkel kapcsolatban. A leggyakoribb ilyen feltételezés a preparált állapotok Hilbert-tér dimenziójára vonatkozik. A jelen közleményben vizsgálatainkat kétdimenziós rendszerekre korlátoztuk, azaz feltételeztük, hogy a preparált állapotok kvantumbitek, vagy klasszikus esetben bitek. Munkánkban a kvantumbitek kommunikációs előnyét vizsgáltuk a bitekkel szemben a PM elrendezésben nagyszámú állapot és mérés esetén. Az elérhető kvantumelőnyt a mérések kritikus detektorhatékonyságán keresztül számszerűsítettük. Ilyen típusú eredmények már fellelhetőek voltak a szakirodalomban, de csak kis számú preparált állapotra és mérési bemenetre vonatkozóan. Mi ezzel szemben nagyszámú bemenetet tekintettünk, amelyek kezelésére nagyléptékű iteratív numerikus algoritmusokat fejlesztettünk ki.  Azt a tényt, hogy a mérési oldalon a detektorok nem tökéletesek, egy valószínűségi paraméter bevezetésével modelleztük, amely matematikailag a várható értékek kifejezésében jelenik meg.

Munkánkban numerikusan felső korlátot adtunk a kritikus detektorhatékonyságra, azaz arra a legkisebb paraméterértékre, amely felett a detektorokkal biztosan kimutatható, hogy az adott eloszlás nem szimulálható egybites klasszikus kommunikációval. Emellett analitikus levezetéssel megmutattuk, hogy a kritikus detektorhatékonyság kapcsolatba hozható a harmadrendű Grothendieck-állandóval, amelyet a matematika különböző ágaiban is használnak. Mivel erre az irodalomban található alsó korlát, ez egyben felső korlátot is ad a kritikus detektorhatékonyságra. A numerikus módszereink által talált felső korlát azonban ennél alacsonyabbnak adódott, így az irodalmi adatokból származó felső korlátot tovább tudtuk javítani.

Napjainkban a zöld átállás egyik célja a fosszilis energiahordozók megújuló energiaforrásokkal való helyettesítése. Ez a törekvés elsőként az üzemanyagok területén jelent meg, ahol a fosszilis helyett biológiai alapú üzemanyagok előállítása és alkalmazása a cél. A bioüzemanyagok fizikai és kémiai tulajdonságai célszerűen nagyon hasonlóak fosszilis társaikéhoz, így viszonylag könnyen keverhetők egymással, és a jelenlegi motorok átalakítása nélkül alkalmazhatók anélkül, hogy károsítanák azokat. Viszont a nagy hasonlóságnak köszönhetően, klasszikus kémiai analitikai eljárásokkal, mint például kromatográfia, nehezen és pontatlanul különböztethetők meg egymástól, így az esetleges hamisítások felderítésére sem alkalmasak ezek a módszerek. Kihasználva a radiokarbon (¹⁴C) izotóp 5700±30 éves felezési idejét, aminek köszönhetően a fosszilis anyagokban az teljesen elbomlott, pontosan megkülönböztethetők a jelenkori biológiai és fosszilis anyagok egymástól. A jelenkori biológiai anyagoknak jól mérhető és jól meghatározott radiokarbon szintje és ¹⁴C/¹²C izotóparánya van, míg a fosszilisban nincs ¹⁴C. A tanulmányban is alkalmazott gyorsítós tömegspektrometriai (AMS) ¹⁴C/¹²C izotóparánymérés lehetővé teszi, hogy az üzemanyagkeverékek (fosszilis és biológiai alapú) biokomponens tartalmát akár 1% -nál is jobb pontosággal meghatározzuk, ám a módszer még kevésbé elterjedt az ipari alkalmazásokban.

A tanulmányban az Atommagkutató Intézetben meghonosított módszert hasonlítottuk össze másik két elismert AMS laboratórium (ETH, Zürich és CEDAD, Lecce) méréseivel ugyanazon mintákon egy nemzetköz összehasonlító mérési kampány keretében. Az összemérés a Nemzetközi Atomenergia-ügynökség (IAEA) kezdeményezéséhez is kapcsolódott, amely az AMS alapú ¹⁴C mérések alkalmazását segíti az igazságügyi alkalmazásokban.

A kapott eredmények azt mutatják, hogy a preparálási módszertől-, méréstechnikától-, alkalmazott műszertől függetlenül az összemérésben résztvevő mindhárom laboratórium képes volt a keverék minták biokomponens arányát 1% alatti pontosággal meghatározni, és az eredmények jó egyezést mutattak. A legalacsonyabb háttérszennyezést az Atommagkutató Intézet módszere produkálta. Ez az elérhető pontosság elfogadható az ipari partnerek és nagypontosságot igénylő kutatások számára is. A demonstrált mérési eredmények növelhetik a módszer ismertségét, nemzetközi elfogadottságát, integrálódását az ipari kutatásokba. Az alkalmazott módszerek átültethetők az ipar és tudomány más területeire is, mint például műanyagok vizsgálatára.

Az utóbbi évek technológia fejlődésének köszönhetően a piacon elérhető hagyományos hőszigetelőket egyre inkább felváltják az alacsonyabb hővezető képességű, aerogél tartalmú ún. szuperhőszigetelő anyagok. Aerogél tartalmúknak köszönhetően pl. épületek szigetelésénél használt vastag polisztirol anyagokhoz képes ugyanazon hőszigetelő hatásfok jelentősen vékonyabb kivitelben is elérhető. Ennek köszönhetően épületek szigetelése mellett kiválóan használhatóak földi és légi járművekben, ahol a hőszigetelés mellett a kis helyigény is fontos szempont, távhővezetékek szigetelésére. Felhasználásuk során magas hőmérsékletű környezetbe is kerülhetnek (100-250 ◦C), így alapkövetelmény ezen anyagokkal szemben, hogy ilyen körülmények között is megőrizzék kiváló hőszigetelő képességüket.

Jelen munkánkban két új szilika aerogél típusú szigetelő anyagon végzett átfogó vizsgálatok eredményeit mutattuk be. A vizsgálatokhoz a piacon elérhető Slentex és Pyrogel típusú anyagokat választottuk, 150 és 250 ◦C hőmérsékleten 1 napig atmoszférikus környezetben öregítve őket hővezetési tulajdonságaik változását követtük nyomon. A hőkezeléseket követően vizsgáltuk a termikus paramétereiket, mint például a hővezető képességet és a fajlagos hőkapacitást. Megállapítottuk, hogy a Pyrogel esetében mind a hővezető képesség, mind a fajlagos hőkapacitás megnőtt az öregítést követően, míg a Slentex esetében a hővezető képesség állandó maradt ugyan, de a fajlagos hőkapacitása megnőtt. A hővezetési tulajdonságok változását kalorimetriás vizsgálatok elvégzésével követtük nyomon, az anyagok morfológiájában és szerkezetében bekövetkezett változások feltárásához pásztázó elektronmikroszkópos és röntgendiffrakciós vizsgálatokat végeztünk. Eredményeink ipari alkalmazási szempontból fontosak, hiszen figyelembevételükkel előre jelezhető a felhasznált szigetelőanyag élettartamát, ezáltal jobban tervezhetővé felhasználásuk és a karbantartásukhoz szükséges idő.

Az ábrán a Pyrogel  szigetelő anyag szálait borító aerogél szemcsék láthatók.

Az atommag nukleonokból (protonokból és neutronokból) áll, melyek általában sokan vannak. A soktest-problémát nem tudjuk egzaktul megoldani, ezért nem ismerjük a mag viselkedésének minden aspektusát. A magszerkezet alapvető modelljei a probléma egyik vagy másik oldalát tárják fel. (Mint az ősi indiai történetben, melyben a vak emberek tapogatással próbálnak képet alkotni az elefántról.)

A kollektív modell mikroszkopikus folyadékcseppnek tekinti a magot, mely rezeghet és foroghat. A héjmodell úgy írja le, mint parányi atomot, vagy naprendszert. A klasztermodell pedig molekulához, vagy szőlőfürthöz hasonlítja. Mi a közös része a különböző fizikai képeknek? (Hogyan néz ki valójában az elefánt?)

Az már 1958-ban kiderült, hogy egyszerű problémák esetében a fundamentális modelleket egy szimmetria köti össze, amit U(3) szimmetriának nevezünk. Most bebizonyosodott, hogy egy hasonló, bár kissé bonyolultabb szimmetria, az U(3)xU(3) definiálja az alapmodellek közös metszetét az általános esetben is. Ezt többkonfigurációs dinamikai szimmetriának (MUSY-nak) nevezzük. A MUSY azonkívül, hogy hidat ver az eltérő elképzelések között, képes arra, hogy egységes leírást adjon különböző jelenségekre, melyeket eddig más-más elmélettel magyaráztak. E cikkben a szerzők meghatározták a könnyű magok stabil alakjait, azok lehetséges fürtösödését, kapcsolatukat a reakciócsatornákkal, és kiszámolták az energiaspektrumukat is.  

Az ábra az 16O mag stabil alakjait mutatja, és azok néhány lehetséges klaszterizációját. Szemlélteti azt a fizikai képet, amit a kollektív és a fürtmodellhez társítunk (melyeket a héjmodell köt össze). További kapocs a részecskék (nukleonok) megkülönböztethetetlensége (más szóval antiszimmetriájuk). Ez a Természetnek egy alapvető törvénye, amit a kvantummechanika fedett fel, és amihez nem tudunk klasszikus képet társítani. Az antiszimmetria miatt azok a magállapotok, melyek egy sorban vannak ábrázolva egymással azonossá válnak. 

A gadolíniumot (Gd) tartalmazó kontrasztanyagokat a mágnesrezonancia képalkotásnál (MRI) használják az orvosi diagnosztikában. A ritkaföldfémek közé tartozó Gd toxikus, ezért nem lehet közvetlenül a szervezetbe juttatni. Olyan stabil vegyületeket hoztak létre, amelyek a Gd-ot biztonságosan magukba zárják. A kontrasztanyagok a vizelettel távoznak az emberi testből. Sokáig az volt a vélemény, hogy a betegek szervezete a beadott kontrasztanyagot gyorsan (24 órán belül) kiválasztja, és ha marad is vissza valamennyi anyag, ennek nincs káros hatása. Az Egyesült Államok élelmiszer és gyógyszerfelügyeleti hatósága (FDA) már 2006-ban felhívta a figyelmet, hogy vesebetegeknél a készítmények nefrogén szisztémás fibrózist (NSF) okozhatnak. 2013-ban újabb figyelmeztetés jött, hogy a kontrasztanyag toxikus komponense (Gd) visszamaradhat a szervezetben, és felhalmozódhat az agyban is. Idővel egyes Gd-tartalmú kontraszt anyagok használatát beszüntették, ill. korlátozták. A kontraszt anyag eredetű Gd napjainkra a nagyobb folyókban, tavakban és nagyvárosok ivóvizében is kimutatható lett.

Debrecenben két MRI centrum működik, ahol a vizsgálat évében (2014) Omniscant és Dotaremet használtak a kontrasztanyagos vizsgálatokhoz. A vizsgált időszakban (45 napon át) 1008 beteget láttak el, akik összesen 700±1g Gd-ot kaptak. A betegeket 6 csoportba soroltuk, hogy melyik MRI centrumban látták el őket, kórházban fekvők, debreceni járóbetegek, vagy nem debreceni járóbetegek voltak. A vizsgálati időszakban folyamatosan mértük a szennyvíztelepre érkező víz Gd tartalmát. Ahhoz, hogy meg tudjuk határozni, milyen lenne a természetes eredetű Gd-koncentráció a szennyvízben, meg kellett mérnünk a többi ritkaföldfém (La, Ce, Sm, Eu, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) mennyiségét is. A ritkaföldfémek alapján becsült háttér ismeretében már meg tudtuk becsülni a kontrasztanyagból származó Gd mennyiségét is.

Másfél hónap alatt a szennyvíztelepre összesen 531±2g gadolínium érkezett, melyből az antropogén rész 261±6g (a teljes Gd 49±1%-a) volt. Feltételeztük, hogy a debrecenben élő járóbetegek, valamint a kórházban fekvő betegek teljes egészében a városban ürítik a vizeletet. A nem debreceni járóbetegeknek is van valamennyi ürítése a városban, hiszen a vizsgálat után a kórházban, hazaindulás előtt, esetleg a városban, étteremben, vasútállomáson kénytelenek WC-t használni. A teljes beadott Gd 37±1%-át találtuk meg a szennyvízben, a fennmaradó 63±1%-ot, azaz 439±6g Gd-ot a járóbetegek Debrecenen kívül bocsátottak ki magukból. A beadott Gd két nap késéssel volt észlelhető a szennyvíztelepen. Mivel részletes adatsor állt rendelkezésünkre, elkészítettünk egy terjedési modellt, amivel a szennyvízben megjelenő antropogén Gd napi mennyiségét meg tudtuk becsülni. A modellel kapott eredmények jó egyezést mutattak a mért értékekkel. Az eredmények felhívták a figyelmet arra, hogy a késés nem magyarázható a szennyvíz áramlásával. Lehetséges, hogy a kontraszt anyag lassabban ürül ki a betegekből a vártnál. Az optimális 24 órás kiürülést klinikai vizsgálatok alapján, kontrollált körülmények között határozták meg. Ha a betegek nem fogyasztanak kellő mennyiségű vizet, és emiatt kevesebb vizeletet ürítenek az MRI vizsgálat napján, akkor elképzelhető, hogy a kontraszt anyag jóval lassabban hagyja el a testüket, mint ahogy az az idealizált körülmények közötti klinikai mérésekben történt. Ennek igazolására további vizsgálatokra lesz szükség.

Fitolitoknak nevezzük azokat a növények által képzett kovaszemcséket, amelyek mérete 10 mikrométernél nagyobb, legtöbbször sejtek kovásodásával alakulnak ki, alakjuk és mintázatuk a kialakított nevezéktan szabályaival leírható, valamint jellemzőek egy adott növénycsoportra, akár fajok szintjén. Számos növényfaj képez fitolitokat, számos anatómiai pozícióban, legtöbbször a levelek és a szár bőrszövetében. A fitolitok igen ellenálló, szervetlen képződmények  (SiO₂ x nH₂O). Az elpusztult növények lebomlása után az eltemetett talaj- és üledékrétegek sokáig őrzik az adott növényzet fitolitkészletét, amelyhez legtöbbször radiokarbon vagy relatív rétegtani kort rendelve következtetni tudunk annak az időszaknak a növényzetére, klímájára, amelyben a fitolitokat képző növények éltek. A fitolitelemzés a pollenanalízishez hasonlóan működik. Előnye, hogy míg a virágporszemek feladata, hogy messzire szállva terjedjenek, a fitolitok lokálisabb információkat adnak a paleokörnyezetről.

A lucfenyő (Picea abies) a negyedidőszakon átívelően a mai napig elterjedt és fontos erdőalkotó faj. Fa- és erdőhatárt jelző állományai érzékenyen reagálnak a klímaváltozásra. Korábban a Kárpát-Pannon régió környezetrekonstrukciós vizsgálataihoz készített fitolitkészlet adatbázis egyik eredményeként azt találtuk, hogy megfelelő klímaparaméterek között a lucfenyő tűleveleinek központi hengerében, a szállítószövetekhez közel, a transzfúziós szövetben jellegzetes, négyszög alapú hasáb formájú fitolitok keletkeznek, intenzív kova betöltődésnek köszönhetően.

Jelen tanulmányban e környezeti hatásra keletkező, ún. szenzitív fitolitok megőrzöttségét vizsgáltuk jégkori tóból származó üledékmagban (Černé jezero, Šumava hegység, Csehország). A 246 cm hosszú fúrásmagot centiméterenként szeleteltük, radiokarbon korolást végeztünk, és minden ötödik szeletből kiválogattuk a szubfosszilis tűleveleket. A luctűket egyenként elmetszve rögzítettük, hogy mely tűlevelek tartamaznak fitolitréteget. A vizsgálat egyik legfontosabb eredménye, hogy a szubfosszilis luctűlevelek mikroanalitikai módszerekkel megbízhatóan elemezhető fitolitrétegeket őriznek. A legidősebb tűlevél kora, amelyet vizsgáltunk, és tartalmazott fitolitokat, 7,8 ezer kalibrált BP év volt, mely egyidős a luc lokális expanziójával a területen. Korábbi kísérletes munkánk eredménye szerint a luctű fitolitok részleges oldódásának jele, hogy a göbös ultrastrukturális felület elsimul, és “idegen” elemek épülnek az amorf kova mátrixába. A pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) vizsgálatok alapján a legidősebb fitolitok is megtartották a jellegzetes granulózus ultrastruktúrájukat. Energiadiszperzív röntgenspektroszkópos (SEM EDX) mérésekkel igazoltuk, hogy az idegen elemek közül az aluminium hajlamos a fitolitokba való beépülésre, mind a fitolit képződése idején (élő növényben), mind a fitolitok mállása közben (az üledék anyagában). Eredményünk újabb bizonyíték arra, hogy a fitolitok megnövekedett alumínium és idegen elemtartalma részben a mállás következménye, és nem teljesen a kiváltó oka annak.

Másik fontos eredményünk, hogy a korszak, amelyben a luctűlevelek fitolitban leginkább gazdagok voltak, a középső holocén vége (6-4,5 ezer kalibrált BP évek), hipotézisünk szerint egy olyan időszakot jelöl, amikor a klíma a mainál melegebb volt, és megfelelően csapadékos, amely kedvezett a fitolitképzésnek. Ekkor a luc lokálisan a fiziológiai optimumán tenyészett. E hipotézisünk validálásával az újabb paleokörnyezeti indikátor hozzájárul a luc előfordulás léptékénél finomabb skálán történő paleokörnyezeti rekonstrukcióhoz, és annak becsléséhez, hogyan hat változó klímánk a lucállományokra.