Инструменты, созданные из света, или За что дали Нобелевскую премию по физике в 2018 году

Отмеченные премией открытия позволили совершить не один прорыв в науке и изменили быт миллионов людей по всему миру

Инструменты, созданные из света, или За что дали Нобелевскую премию по физике в 2018 году
Артур Ашкин, Донна Стрикланд и Жерар Муру 112.ua

Отмеченные премией открытия позволили совершить не один прорыв в науке и изменили быт миллионов людей по всему миру

Во вторник, 2 октября, в Стокгольме были названы имена очередных лауреатов Нобелевской премии в области физики. Половину награды присудили американскому ученому и изобретателю Артуру Ашкину. Вторую половину поделили долгое время сотрудничавшие француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикланд. Примечательно, что Стрикланд стала лишь третьей в истории женщиной, отмеченной "Нобелевкой" в области физики, а Ашкин – старейшим лауреатом этой премии. На момент присуждения ему награды ученому исполнилось 96 лет. Этим они войдут в историю самой премии. А об их огромном вкладе в науку рассказываем словами Нобелевского комитета. Он действительно впечатляет.

Отмеченные в этом году изобретения совершили революцию в лазерной физике. Чрезвычайно маленькие объекты и невероятно быстрые процессы предстали в новом свете. Не только физика, но и химия с медициной получили точнейшие инструменты для использования в фундаментальных исследованиях и для применения на практике.

Артур Ашкин изобрел оптический пинцет, который захватывает частицы, атомы и молекулы с помощью "пальцев" из лазерного луча. Он также может удерживать вирусы, бактерии и живые клетки и обрабатывать их, не повреждая. Оптический пинцет Ашкина открыл новые возможности для наблюдения и управления живой машинерией.

Жерар Муру и Донна Стрикланд проложили путь к созданию самых коротких и наиболее интенсивных лазерных импульсов из тех, которые есть в распоряжении человечества. Разработанная ими технология открыла новые направления исследований и привела к широкому промышленному и медицинскому применению; например, миллионы глазных операций выполняются каждый год с помощью острейших лазерных лучей.

Путешествие в лучах света

Однажды Артуру Ашкину приснился сон, в котором он использовал для своей работы лучи света для перемещения объектов. В культовом сериале 1960-х гг. "Звездный путь" (он же "Стар трек") притягивающий световой луч использовался для дистанционной манипуляции объектами, в том числе космических астероидов. Конечно, это звучит, как научная фантастика. Тем не менее, мы можем ощущать энергию, которую несут солнечные лучи, – в теплый летний день мы сами и мир вокруг нагреваются под ними. Однако давление такого луча на материю слишком слабое, и человеческое тело не ощущает его ни в малейшей степени. Но может ли сила света быть достаточной, чтобы манипулировать мельчайшими частичками и атомами?  

Сразу же после изобретения в 1960 году первого лазера Ашкин начал экспериментировать с новым инструментом в стенах Лаборатории Белла неподалеку от Нью-Йорка. Прибор заставлял световые волны двигаться когерентно (связанно и однонаправленно), в отличие от обычного белого света, в котором смешаны лучи всех цветов радуги и они разбросаны во всех направлениях.

В процессе работы Ашкин понял, что лазер может стать идеальным инструментом для создания лучей света, которые могли бы перемещать мелкие частицы. Он попробовал направить лазер на прозрачные сферы диаметром всего в микрометр. Естественно, эти сферы тут же сдвинулись с места. Однако ученый с удивлением отметил, что все они собрались ближе к центру луча. Это объяснялось тем, что интенсивность излучения в лазере снижается от центра к краям. Поэтому и давление, которое лазер оказывает на частички, также изменяется, прижимая объекты к середине луча и удерживая их в центре.

Чтобы удерживать частицы в направлении луча, Ашкин применил мощную линзу, которая сфокусировала свет лазера. Она заставила объекты собираться в точку с наибольшей интенсивностью света. Так получилась световая ловушка, наука также называет ее оптическим пинцетом.

Живые бактерии оказываются захвачены с помощью света

После нескольких лет работы и целой череды неудач Ашкину удалось поймать в свою ловушку несколько атомов. Но исследования все же сталкивались с множеством трудностей. Одна из них заключалась в том, что имеющиеся лазеры все же были недостаточно мощными, чтобы успешно захватывать атомы, другая – в тепловых колебаниях самих атомов. Необходимо было придумать, как замедлить частицы и "упаковать" их в область пространства куда меньшую, чем точка в конце этого предложения. Достичь этого удалось в 1986 году, когда оптический пинцет начали совмещать с другими методами остановки и захвата атомов.

В то время, как замедление атомов само по себе было областью изучения, Артур Ашкин открыл совершенно новое применение для своего оптического пинцета – исследование биологических систем. К этому его привел случай. Для своих экспериментов по захвату все меньших частиц он использовал образцы маленьких мозаичных вирусов. Однажды он случайно оставил их открытыми на ночь, к утру образцы были заполнены крупными частицами, которые двигались туда-сюда. Использовав микроскоп, ученый обнаружил, что эти частицы были бактериями, которые не просто свободно плавали в среде, – приближаясь к лазерному лучу, они попадали в оптическую ловушку. Однако зеленый лазер убивал их, поэтому, чтобы сохранить бактерии живыми, необходим был более слабый луч. В невидимом инфракрасном свете бактерии оставались невредимыми и даже могли размножаться в ловушке.

Вследствие этого Ашкин сосредоточился на исследованиях различных бактерий, вирусов и живых клеток. Он также показал, что возможно проникать внутрь клетки, не разрушая ее мембрану.

Так американский ученый открыл целый мир, где мог быть применен его оптический пинцет. Одним из важнейших его прорывов стало открытие возможности исследовать механические свойства молекулярных моторов – больших молекул, которые выполняют жизненно важную работу внутри клеток. Первым описанным таким образом мотором стал белок кинезин, который осуществляет поступательное движение вдоль клеточного каркаса.

via GIPHY

От научной фантастики к практическому применению

За последние несколько лет многие другие ученые, вдохновившись методами Ашкина, занялись их усовершенствованием. Оптическому пинцету нашли множество применений. С его помощью наблюдают, разворачивают, разрезают, толкают и тянут частицы, клетки и молекулы, не прикасаясь к ним при этом. Изобретение Ашкина стало во множестве лабораторий стандартным оборудованием при изучении биохимических процессов в отдельных белках, молекулярных моторах, цепях ДНК и целых клетках. Оптическая голография – одна из новейших передовых разработок, в числе которых одновременное использование тысяч оптических пинцетов для, например, отделения здоровых клеток крови от инфицированных, что может широко применяться в борьбе с малярией.

Артур Ашкин не перестает удивляться тому, как сильно развили его технологию оптического пинцета. Научная фантастика его молодости благодаря его же труду стала реальностью. А вторая часть Нобелевской премии по физике за этот год досталась ученым, которые исследовали ультракороткие и сверхсильные лазерные импульсы – они когда-то тоже считались невообразимым достижением далекого будущего, а теперь используются повсеместно.  

Новая технология для сверхкоротких высокоинтенсивных лучей

Вдохновение для развития этой технологии пришло из научно-популярной статьи, которая описывала принцип действия радара и длинные радиоволны, которые в нем используются. Перенести этот принцип на более короткие световые волны оказалось довольно непросто как в теории, так и на практике. Прорыв случился в 1985 году и был описан в первой научной статье Донны Стрикланд, которая увидела свет в декабре. Исследовательница переехала из Канады в Рочестерский университет в США. Ее привлекали зеленые и красные лучи, которые освещали новую лабораторию, как рождественскую елку, и, не в последнюю очередь, личность научного руководителя – французского ученого Жерара Муру. Вместе они вывели идею усиления коротких лазерных импульсов на невиданный уровень.

Лазерный свет создается цепной реакцией, в которой частицы света – фотоны – генерируют еще больше фотонов. Они могут испускаться импульсами. С тех пор, как лазеры были изобретены, почти 60 лет назад, исследователи пытались создать все более интенсивные импульсы. Однако к середине 1980-х годов исследования зашли в тупик. Для коротких импульсов практически невозможно было увеличить интенсивность света без разрушения усиливающего материала.

Новая технология Стрикланд и Муру, известная как усиление чирпированных импульсов (Chirped pulse amplification или же CPA), была простой и изящной. Берется короткий лазерный импульс, растягивается во времени, усиливается и снова сжимается. Когда импульс растягивается во времени, его пиковая мощность оказывается намного ниже, поэтому его можно усиливать во много раз, не повреждая усилитель. А затем импульс снова сжимается во времени, собирая больше света на крошечном участке пространства – интенсивность импульса после этого резко возрастает.

Стрикланд и Муру понадобилось несколько лет, чтобы успешно свести все воедино. Как обычно, большое количество практических и концептуальных нюансов никак не хотели укладываться в стройную и эффективную методику. К примеру, ученые стали растягивать импульс при помощи недавно приобретенного оптоволоконного кабеля длиной 2,5 километра. Но свет из него не выходил. Оказалось, кабель был переломан где-то посередине. Когда поломку устранили, от кабеля осталось всего 1,4 километра, но и этого оказалось достаточно. Еще одной крупной проблемой оказалась синхронизация разных участков оборудования, чтобы получить растяжитель импульса, подходящий к его компрессору. Ученым удалось справиться и с этим, и в 1985 году Стрикланд и Муру впервые смогли воплотить свое теоретическое видение на практике.

Технология CPA, изобретенная Стрикланд и Муру, совершила революцию в области лазерной физики. Она стала стандартом для всех более поздних высокоинтенсивных лазеров и открыла дорогу для их применения в совершенно новых областях физики, химии и медицины.

Остановить мгновение

Как же можно использовать эти ультракороткие импульсы? Одной из ранних областей применения было наблюдение за тем, что происходит в микромире атомов и молекул. А там все случается настолько быстро, что долгое время наука была в состоянии описать только состояния до и после события, но не сам процесс. Но с импульсами продолжительностью в фемтосекунду (одна квадриллионная доля секунды, а квадриллион – это число с 15 нулями или же миллион миллиардов) можно увидеть события, которые раньше казались неуловимыми.

Высокая интенсивность лазера также делает его свет инструментом для изменения свойств материи: электрические изоляторы могут быть преобразованы в проводники, а ультраострые лазерные лучи позволяют очень точно разрезать или просверлить отверстия в различных материалах – даже в живом веществе!

Например, лазеры могут использоваться для создания более эффективных хранилищ данных, поскольку позволяют делать более мелкие насечки на поверхности носителя и умещать больше информации на меньшей площади, а затем успешно считывать ее. Эта же технология применяется для создания хирургических стентов – упругих металлических сетчатых конструкций в форме цилиндра, которые используют для расширения и укрепления кровеносных сосудов, мочевыводящих путей и других каналов внутри организма. То есть чтобы спасать жизни людей и животных. Она же используется в микрохирургии глаза, когда чувствительный орган оперируют без внешних повреждений.

Неразработанных и не до конца изученных сфер применения технологии CPA все еще великое множество. Каждый следующий шаг, сделанный с ее помощью, позволяет исследователям видеть новые миры и придумывать оригинальные способы ее внедрения как в фундаментальные исследования, так в обыденную жизнь огромного количества людей.

Одной из новейших областей исследований, возникших в последние годы, является аттосекундная физика. Лазерные импульсы продолжительностью менее ста аттосекунд (аттосекунда – это одна квинтиллионная часть секунды, а квинтиллион – это число с 18 нулями или же миллиард миллиардов) способны показать ученым насыщенную жизнь в мире электронов. А электроны – рабочие лошадки химии, которые отвечают за оптические и электрические свойства всех веществ и за все химические связи. Теперь при помощи лазерных технологий их можно не только наблюдать, но и контролировать.

К еще более продвинутому свету

Множество применений этим новым лазерным технологиям будут открыты в ближайшее время – электроника с большим быстродействием, более эффективные фотоэлементы и катализаторы, более мощные усилители, новые источники энергии или дизайнерские (созданные под конкретные нужды) лекарства. Неудивительно, что в сфере лазерной физики существует жесткая конкуренция.

Донна Стрикланд продолжает свою исследовательскую работу в Канаде, а Жерар Муру вернулся во Францию и участвует в европейской инициативе в области лазерных технологий, а также других проектах. В частности, ученый запустил и возглавил на ранних стадиях европейскую инициативу Extreme Light Infrastructure по строительству сверхмощного лазера. Возведение трех объектов этой инициативы в Чехии, Венгрии и Румынии будет завершено в ближайшие годы. Плановая пиковая мощность составит 10 петаватт, что эквивалентно невероятно короткой вспышке ста тысяч миллиардов электрических лампочек.

Строящиеся объекты будут специализироваться в разных областях: аттосекундные исследования будут проводиться в Венгрии; в Румынии будут вестись исследования в области ядерной физики; а чешское подразделение займется исследованиями высокоэнергетических пучков частиц. Новые и еще более мощные объекты планируются в Китае, Японии, США и России.

Есть вполне конкретные предположения и насчет следующего шага: десятикратное увеличение мощности строящихся лазеров – до 100 петаватт. И на этом видение перспективы развития лазерной техники не исчерпывается. Как насчет мощности в зеттаватт (миллион петаватт или столько ватт, что после единицы идет 21 ноль)? Или сокращения импульса до зептосекунды (такая дробь, где после запятой идет 21 ноль). Новые горизонты открываются начиная с исследований квантовой физики в вакууме и заканчивая производством интенсивных протонных пучков, которые могут быть использованы для прицельного уничтожения раковых клеток в организме. Тем не менее, даже на нынешней стадии развития отмеченные сегодня изобретения позволяют нам рассматривать и изучать микромир и отвечают завету Альфреда Нобеля, принося наибольшую пользу человечеству.

видео по теме

Новости партнеров

Загрузка...

Виджет партнеров