Нобелівська премія з фізики 2018 за
"лазерні технології"
Найпрестижнішу
серед найрозумніших Нобелівську премію з фізики у 2018 році отримали троє
дослідників за досягнення в області
лазерної оптики.
Артур Ашкін (американець)– за «лазерний пінцет», який тепер застосовують в біології.
Француз Жерар Альбер Муру та канадка Донна Тео Стрікленд – за метод отримання ультракоротких оптичних імпульсів.
Що ж ці
винаходити дають людству з практичної сторони; і зараз чи в перспективі?
У розробці, фактично, лазерне
світло штовхає дрібні частинки в напрямку центра променя і утримує їх там, при
цьому не завдаючи шкоди. В даний час "оптичний пінцет" широко
використовується в мікросвіті, зокрема в біологічних дослідженнях.
Жерар Муру (1944) та Донна Стрікленд (1959) проклали шлях до найкоротших і найбільш
інтенсивних лазерних імпульсів створених людством. Їх винаходи
використовуються в мільйонах офтальмологічних операцій, що робляться щороку в
усьому світі. Саме вони визначають обличчя
сьогоднішньої лазерної хірургії ока. Революційна наукова робота Муру і
Стрикланд по генерації ультракоротких імпульсів була опублікована ще в 1985
році і була частиною кандидатської дисертації Донни Стрикланд. До речі: Донна стала лише третьою в історії жінкою, котра змогла отримати Нобелівську премію з фізики.
Дещо про роботи нобелівських лауреатів.
Оптичний пінцет
Оптичний пінцет –
це пристрій для переміщення речовини за допомогою світла. Іншими словами, це
пристрій, який захоплює маленькі шматочки речовини за допомогою лазерного
променя.
Слід розуміти, що
у маленьких частинок дуже велика поверхня по відношенню до їх маленького об’єму.
Тому сила тиску світла для них дуже велика по відношенню до їх маси. Ашкін в
1970-х роках порахував, що, якщо на частку розміром один мікрон посвітити
лазером потужністю один мВт (міліват), то прискорення, яке створить тиск світла
дорівнюватиме близько тисячі g (прискорення вільного падіння на Землі). Таке
прискорення неможливо не помітити. Однак в експерименті з’ясувалося, що, крім
тиску світла, є ще якась сила, яка діє поперек сили тиску світла і «затягує»
частинки всередину лазерного променя. Справа в тому, що якщо частинка, що
потрапила в промінь світла, хоче з нього вийти, то світло починає
переломлюватися на ній нерівномірно. Це означає, що фотони змінюють напрямок
свого руху, тобто змінюється їх імпульс. Зміна імпульсу призводить до
виникнення сили котра і затягує частку назад в промінь світла. Так Ашкін
прийшов до ідеї створення оптичного пінцета.
Практичні
застосування його винаходу просто фантастичні. Раніше, коли біологам потрібно
було дослідити якусь клітину або створити колонію цих клітин, вони брали клітку
пінцетом, щоб відокремити її від інших. При цьому клітку дуже легко пошкодити
(точніше – складно не пошкодити). Якщо використовувати оптичний пінцет Ашкіна,
клітина не пошкодиться, адже сила захоплення в цьому випадку невелика і дуже
добре регулюється. Можна припустити, що клітина перегріється під дією світла,
але цього теж не буде саме через те, що у неї величезна поверхня стосовно її
об’єму. Більш того, в роботах Ашкіна було показано, в оптичному пінцеті клітини
можуть навіть розмножуватися.
За допомогою
оптичних пінцетів зроблені абсолютно дивовижні відкриття в області біології.
Тепер можна навіть рухати предмети, розташовані за непроникною перепоною, в
разі, якщо вона прозора для світла. Тобто те, що не можна зробити за допомогою
звичайного пінцета, тепер можна за допомогою оптичного. Завдяки винаходу
Ашкіна, для того, щоб проводити операції на клітинах навіть не обов’язково
розкривати саму клітинну оболонку. Можна рухати щось всередині клітини прямо
крізь цю оболонку.
Ультракороткі
оптичні імпульси
При генерації
дуже коротких і дуже потужних імпульсів лазерного випромінювання виникає
проблема – як зробити ці імпульси ще потужнішими та коротшими, якщо їх
тривалість уже дуже мала (фемтосекунди). Ідея вчених полягає в тому, що
потрібно розтягнути імпульс в часі, його «неквапливо» посилити, а потім назад
стиснути.
Такі потужні
короткі імпульси необхідні для досліджень речовини в умовах, які недосяжні
іншим способом. Наприклад, для лазерного термоядерного синтезу. Ще лазери, що
генерують дуже короткі надпотужні імпульси, можуть застосовуватися для очищення
навколоземного простору від космічного сміття, який здатний дуже серйозно нашкодити
супутникам, космічним станціям і людям в космосі.
Швидкість руху
сміття величезна (кілометри в секунду), він пошкоджує сонячні батареї і навіть
обшивку супутників. Але завдяки винаходу Муру і Стрікленд, стало можливим
запустити величезний лазер на орбіту і там прибирати це сміття за допомогою
дуже потужних лазерних імпульсів. Зараз цей проект знаходиться в стадії
розробки.
