Нобелевская премия делу света

Нобелевскую премию по физике за 2018 год получат Артур Ашкин, Жерар Муру и Донна Стрикленд «за новаторские изобретения в области лазерной физики».

В этом году Нобелевской премии удостоены два открытия, которые революционно расширили границы современной физики лазеров. Благодаря им лазеры научились работать со сверхмалыми объектами и сверхбыстрыми процессами, развивая феноменальную мощность. В результате не только физика, но и химия, биология и медицина получили точнейшие инструменты для использования в фундаментальных исследованиях, промышленности и медицине.

Половину премии получит американский физик Артур Ашкин (Arthur Ashkin) с формулировкой «за оптические пинцеты и их применение в биологических системах».

Оптический пинцет, который также называют лазерным пинцетом, представляет собой инструмент, позволяющий захватывать и с огромной точностью манипулировать микроскопическими объектами с помощью лучей лазера. Чуткие лазерные «пальцы» способны оперировать не только с частицами, атомами и молекулами, но и с вирусами, бактериями и даже живыми клетками, не повреждая их. Оптические пинцеты Ашкина создали совершенно уникальные новые возможности для наблюдения и управления механизмами жизни. Оптические пинцеты позволяют также измерять расстояния и силы на наноуровне, собирать из микрочастиц объемные структуры. В последние годы с их помощью исследуют структуру и работу белков, свойства спирали ДНК, микропотоки частиц в клетках и многое другое.

Ашкин начал экспериментировать с лазером в Bell Laboratories сразу же после его изобретения в 1960 году. Он хотел использовать радиационное давление света для перемещения физических объектов и понял, что лазер будет идеальным инструментом для этого. Освещая прозрачные сферы микрометрового размера, Ашкин обнаружил, что свет лазера не просто толкает их. Он также смещает частицы к центру луча и удерживает их там. Так и были изобретены оптические пинцеты.

Но важнейший прорыв в исследованиях произошел в 1987 году, когда Ашкин сумел оптическим пинцетом захватить живые бактерии, не причинив им вреда. В результате он переключился на изучение биологических систем, что и принесло ему нобелевскую премию, а оптические пинцеты теперь широко используются для биологических и медицинских исследований.

Вторую половину Нобелевской премии поделили француз Жерар Муру (Gérard Mourou) и канадка Донна Стрикланд (Donna Strickland) с формулировкой «за их метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».

Открытие Муру и Стрикланд позволило генерировать самые короткие и наиболее интенсивные лазерные импульсы. Это дало возможность изучать сверхбыстрые явления, протекающие в атомах, молекулах, твердых телах и биологических объектах, которые ранее казались мгновенными. Именно благодаря этому открытию в последние годы возникла такая новая область исследований как аттосекундная физика. Лазерные импульсы короче ста аттосекунд (одна аттосекунда – 10^-18 с – миллиардная часть миллиардной доли секунды) показывают драматический мир электронов, служащих рабочими лошадками химии. Они отвечают за химические связи, оптические и электрические свойства вещества. Теперь же они не только наблюдаются, но и контролируются. С помощью аттосекундной камеры можно наблюдать даже движение электронов вокруг атомного ядра.

С другой стороны, высокая интенсивность излучения делает лазер великолепным инструментом для изменения свойств вещества, так электрические изоляторы могут быть преобразованы в проводники, а ультра-острые лазерные лучи позволяют очень точно разрезать или просверлить различные материалы, даже живые ткани. Каждый год в мире происходят миллионы корректирующих глазных операций, использующих самый острый лазерный «скальпель».

Как говорят сами лауреаты, идея метода пришла к ним из научно-популярной статьи, в которой описывался радар. Однако перенос этой идеи с радиоволн на значительно более короткие световые волны был трудным, как в теории, так и на практике. Их основополагающая статья была опубликована в 1985 году и стала не только первой научной публикацией Донны Стрикленд но и основой её докторской диссертации.

Проблема получения сверхкоротких лазерных импульсов высокой интенсивности заключается в разрушении под их воздействием материала лазера. Новая технология Муру и Стрикланд, известная как «усиление чирпированных импульсов» (Chirped pulse amplification, CPA), решила её. Идея CPA была простой и изящной, хотя и сложно реализуемой технически: вместо непосредственного усиления светового импульса до большой интенсивности его сначала растягивают во времени, уменьшая пиковую мощность. После этого импульс можно спокойно усилить без повреждения материала. Затем импульс сжимается во времени и становится короче. Это означает, что вся энергия импульса «упаковывается» в малый интервал времени и интенсивность импульса резко возрастает. «Чирпированность» представляет собой особую модуляцию (преобразование) сигнала, приводящую к изменению его частоты со временем. Она необходима для реализации механизма преобразований. Технология CPA быстро стала стандартной для последующих высокоинтенсивных лазеров.

Церемония вручения Нобелевской премии пройдет 10 декабря в Стокгольме. Её размер в 2018 году составит девять миллионов шведских крон, что чуть более одного миллиона долларов. Половину суммы получит Ашкин, Моуру и Стрикленд достанется по четверти приза.

По материалам нобелевского комитета