В лучах лазеров. Что нужно знать о работах лауреатов Нобелевской премии по физике 2018

В фантазии многочисленной армии поклонников сай-фая лазеры – грозное оружие, превращающее перестрелки в световое шоу. Однако для ученых это перспективное поле деятельности, что и доказало трио лауреатов Нобелевской премии по физике 2018. Жерар Муру, Донна Стриклэнд и Артур Эшкин разделят 9 миллионов шведских крон (примерно $1 млн) за достижения в области лазеров. Вот, что следует знать об изобретениях лауреатов 112-й "нобелевки" в области физики.

Полезно для глаз

Лазер (оптический квантовый генератор) был изобретен почти 60 лет назад. С того самого момента ученые стремились сделать импульсы все более мощными, но к середине 1980-х годов предел, казалось, был достигнут. Интенсивность света коротких импульсов уже практически невозможно было увеличить, не разрушая усиливающую среду, в которой он создается.

Тут на сцену и выходят Жерар Муру и Донна Стриклэнд. Решение, предложенное учеными, оказалось простым и элегантным: нужно взять короткий лазерный импульс, растянуть его во времени, усилить и снова сжать.

При растяжении пиковая мощность импульса снижается и ее можно усилить, не повреждая вещество усилителя. На завершающем этапе он снова сжимается. Так как при этом в крошечном пространстве оказывается "упаковано" больше света, интенсивность импульса резко возрастает.

Потребовалось несколько лет, прежде чем Стриклэнд и Муру смогли успешно продемонстрировать эту схему на практике и создать лазерный импульс, который длится всего одну аттосекунду - миллиардную часть миллиардной доли секунды.

Технология CPA стала настоящей революцией в области лазерной физики. Поскольку короткие импульсы вызывают меньше повреждений, чем длинные, технология уже широко применяется в лазерной хирургии глаза. Кроме того их можно использовать для создания более емких твердых носителей, где информация хранится не только на поверхности, но и в крошечных отверстиях, просверленных ультракороткими лазерными импульсами. При помощи данной технологии также производятся хирургические стенты – цилиндрические инструменты, которые нужны для расширения кровеносных сосудов, мочевыводящих путей и других полых органов.

Однако и это еще не все. Открытие уже поспособствовало появлению новой области исследований - аттосекундной физики. Лазерные импульсы короче ста аттосекунд позволяют изучать электроны, которые являются "рабочими лошадками химии". Они отвечают за оптические и электрические свойства всего вещества и химических связей.

Как отмечает Нобелевский комитет, многие возможности CPA-технологии еще не изучены, но уже очевидно, что в скором времени они помогут повысить скорость электроники и производительность солнечных элементов, а также дадут возможность создавать новые лекарства.

На церемонии оглашения лауреатов не меньше шума, чем само достижение, наделал тот факт, что Стриклэнд стала первой женщиной, получившей Нобелевскую премию в области физики за последние 55 лет. Более того, она лишь третья женщина, победившая в данной категории со времен появления самой награды.

Первой в 1903 году стала Мария Кюри вместе со своим мужем за исследования радиации, второй - Мария Гепперт-Майер, которая совместно с ученым Хансом Йенсеном исследовала структуру ядра. "Для меня большая честь стоять в одном ряду с ними", - сказала Стриклэнд, добавив, что труды физиков-женщин часто остаются недооцененными, и эту ситуацию необходимо менять.

По звездному пути

Поклонники космической саги "Стартрек" (Star Trek – англ. "Звездный путь") наверняка слыхали о "захватном луче" – технологии, позволяющей удерживать и притягивать крупные объекты лишь при помощи света. Пока увидеть ее работу именно в таком виде можно лишь на экранах. Но что если речь идет не о космических кораблях, да астероидах, а о крошечных объектах – мельчайших частицах и атомах. Благодаря Артуру Эшкину такая технология стала реальностью.

Свои эксперименты американский физик начал еще в 60-х годах минувшего века, после появления первых лазеров. Тогда он предположил, что они могут подходить для передвижения мелких частиц. Однако в ходе исследований Эшкин обнаружил иное любопытное свойство. Объекты, с которыми он проводил эксперименты, притягивались к центру луча, где он был наиболее интенсивным, и удерживались там, благодаря давлению света. Добавив линзу для фокусировки луча, Эшкин создал инструмент, получивший название оптический пинцет (или оптическая ловушка).

По мере развития технологии, стало возможным захватывать атомы, а затем и живые бактерии при помощи "пинцета". Причем, последнее применение было обнаружено Эшкином случайно. Экспериментируя с образцами вируса мозаики, он оставил их на ночь открытыми. На следующий день ученый заметил в них крупные частицы, оказавшиеся бактериями, часть из которых была захвачена "пинцетом". Эта случайность определила дальнейшее направление исследований Эшкина, сосредоточившегося на различных бактериях, вирусах и живых клетках.

Работа американского физика вдохновила многих исследователей, побудив их усовершенствовать технологию. На сегодняшний день при помощи оптических "пинцетов" можно переворачивать, тянуть и толкать исследуемые объекты, не прикасаясь к ним. Во многих лабораториях, сотрудники которых изучают биологические процессы (молекулярные моторы, жизнь клеток, ДНК), творение Эшкина входит в список стандартного оборудования.

В одном из прошлых интервью американский ученый признавался, что у него были причины не испытывать симпатию к Нобелевскому комитету. В 1997-м году премию по физике за исследования в области охлаждения и улавливания атомов при помощи лазеров получил его коллега Стивен Чу, которого Артур учил создавать оптические ловушки.

Однако расстроило ученого не это. В официальных сообщениях Шведской академии утверждалось, что основу для появления "оптического пинцета" заложила работа советского ученого Владилена Летохова, тогда как Эшкин полагал, что заслуга в этом принадлежит именно ему.

"Конечно, я почувствовал, что меня оставили не у дел, – говорил он. – Шведская академия многое написала неверно в своих пресс-релизах".

Теперь Эшкин получил больше, чем упоминание в материалах для СМИ, но комментировать событие ученый отказался, отметив, что "слишком занят" написанием новой научной работы. Премию он получил в возрасте 96 лет, став самым старым обладателем престижной награды.

Реакция научного сообщества

Коллеги ученого оказались более словоохотливыми, отметив значимость достижений как Эшкина, так и дуэта Муру-Стриклэнд.

"Я чрезвычайно рада, что Нобелевская премия по физике в этом году была вручена за изобретение оптического пинцета и технологии усиления чирпированных импульсов", - поделилась своими впечатлениями доктор Амель Заир из Королевского колледжа Лондона.

Ей вторит профессор теоретической физики из Университета Суррея Джим Аль-Халили: "Лазеры приобретают все более широкое распространение в качестве инструментов научных исследований, в частности тех, что связаны с квантовым миром. Лазеры можно использовать в качестве пинцета, чтобы манипулировать атомами, они могут накачивать атомы и молекулы короткими энергетическими импульсами для изучения их реакции и даже способны помочь нам понять некоторые секреты квантового мира…".

Он также отметил, что лично для него "самым захватывающим событием" стало получение премии Донной Стриклэнд. "Осознание того, что она стала только третьей жещиной-лауреатом Нобелевской премии по физике в истории, шокирует", - сказал Аль-Халили.

По его мнению, достижения Стриклэнд, Муру и Эшкина "приведут к другим открытиям и новым Нобелевским премиям в будущем".

1 октября были названы имена лауреатов премии в области медицины и физиологии, а 3-го числа станет известно, кто получит "нобелевку" по химии.