Инструменты из света. За лазеры наконец-то дали Нобеля

В 1997-м американский физик-экспериментатор Стивен Чу вместе c двумя другими учеными получил Нобелевскую премию за исследования в области охлаждения и улавливания атомов с использованием лазерных технологий. Одним из главных инструментов, при помощи которых были произведены эти исследования, стал оптический пинцет, разработанный еще в конце 70-х Артуром Ашкиным. Спустя почти 50 лет после изобретения оптического пинцета его создателю решили вручить Нобелевскую премию — 96-летний Артур Ашкин стал одним из трех лауреатов 2018-го.

Еще двоих ученых — Жерара Муру и Донну Стриклэнд — отметили за технику усиления чирпированных импульсов (CPA). Этот метод Стриклэнд и ее научный руководитель Муру предложили еще в 1985-м. CPA может использоваться в абсолютно разных областях: передвижении предметов при помощи лазера, медицине (в частности, лечении рака), ускорении частиц.

Примечательно, что объявление лауреатов задержали минут на 10, так что журналисты уже начали говорить о том, что жюри никак не может договориться, кого же отметить. Нобелевский комитет всегда подчеркивал, что награждает за достижения, проверенные временем. В случае с Ашкиным времени, судя по всему, было чересчур много. "Доктор Ашкин, которому мы позвонили, сказал, что не сможет принять участие в обсуждении, поскольку занят своей научной работой", — заявили в Нобелевском комитете после того, как позвонили ученому рассказать о награде. Ашкин, кстати, еще с 1992-го на пенсии.

Премию поделили так: половина — Ашкину, а Муру и Стриклэнд — по 25%. Напомним, размер премии в этом году составляет 9 млн шведских крон — чуть больше $1 млн. Ашкин, кстати, побил "возрастной рекорд Нобеля": до этого самым старшим лауреатом был американский физик Рэймонд Дэвис-младший, которого в 2002-м наградили за развитие астрофизики. Ему тогда было 88 лет.

Донна Стриклэнд стала третьей в истории Нобелевской премии женщиной, получившей награду в отрасли физики. Первой премию получила Мария Склодовская-Кюри в 1903-м (она также была удостоена премии по химии), а в 1963-м награду получила Мария Гепперт-Майер за вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц.

Оптическая ловушка

Артур Ашкин родился в Бруклине в семье эмигрантов. Его отец приехал в Америку из Одессы, мать — из Галичины. Американский физик, изобретатель, пионер в области создания оптических ловушек также известен исследованиями в области фоторефракции, генерации второй гармоники и нелинейной оптики в волокнах — Ашкин стал автором многих исследовательских работ и обладателем 47 патентов.

Читайте также: Тормоз для рака. За что дали Нобелевку по медицине

У ученого была мечта — заставить лучи света совершать полезную работу и передвигать объекты. И ему удалось реализовать эту мечту, создав оптические ловушки, которые стали известны как оптические пинцеты.

При помощи оптических пинцетов можно наблюдать, поворачивать, толкать и тянуть различные объекты исследования, используя свет. Пинцет позволяет прикладывать к объектам силу от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов.

Манипуляция происходит внутри сфокусированного лазерного луча. Используя голографическую технику, оптические пинцеты могут создавать несколько независимых оптических ловушек, способных захватывать микрообъекты. Это устройство используется, в частности, для измерения сил с разрешением отдельных пикоттонов, сегрегации клеток, измерения механических свойств клеточных мембран, нитей ДНК или изучения биохимических процессов на клеточном уровне.

Радар для электрона

Изобретение, за которое Муру и Стриклэнд получили Нобелевскую премию, они придумали еще в то время, когда Донна была аспиранткой у профессора Муру.

Техника усиления чирпированных импульсов заключается в следующем: создаются волны нескольких частот, затем они разделяются, пропускаются по траекториям различной длины и сводятся вместе. В результате получается импульс меньшей продолжительности и большей пиковой мощности. При помощи очень коротких импульсов, генерируемых лазерами, вы можете следить за одиночными электронами, движущимися в атомах и молекулах. И чем короче импульсы, тем более быстрые процессы можно контролировать и снимать с помощью лазера.

Сегодня техника CPA считается стандартной. Так, именно на ее основании китайские ученые разработали лазерную установку рекордной мощности — летом прошлого года физики из Китайской академии инженерной физики продемонстрировали лазер, пиковая мощность импульсов которого достигает рекордных 4,9 петаватт.

Несколько лет назад сотрудники NASA даже предложили использовать технологию усиления чирпированных импульсов для создания нового типа термоядерного реакторного двигателя. Тягу в нем образуют альфа-частицы, которые получаются в результате воздействия на изотоп бора мощных ультракоротких лазерных импульсов.