5 мин
10 декабря 2018 г.

«Нобелевка» по физике-2018: за что конкретно?

Объясняем, как именно можно использовать исследования, отмеченные премией текущего года
Автор: Даниил Анисимов

Нобелевский комитет вручил премию за «революционные изобретения в области лазерной физики». Половину премии получил американец Артур Эшкин за «изобретение оптического пинцета и его применение в биологических системах». А вторую половину разделили француз Жерар Мору и Донна Стриклэнд из Канады за «метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».  

Говоря проще, эти ученые существенно улучшили лазерные технологии. Обе упомянутые научные работы были сделаны более 30 лет назад, обе имеют крайне прикладную направленность и оказали огромное влияние на науку и технику.

Прикладные работы получают премию не очень часто, предыдущий раз – в 2014 году за изобретение голубого диода. Интересно также, что Донна Стриклэнд – всего лишь третья женщина, получившая премию по физике после Марии Склодовской-Кюри за исследования радиоактивности в 1901 году и Mapии Гeппepт-Maйep, предложившей оболочечную модель атома в 196З.

А теперь давайте разбираться, за что именно присудили «нобелевку» по физике в 2018 году.

1

«Лазер» – слово знакомое, но как он работает?

Обычно свет, проходя через вещество, ослабляется, даже если это воздух или прозрачное стекло. Но к середине ХХ века физики обнаружили, что некоторые вещества, например кристаллы рубина, можно накачивать энергией (инверсная населенность) таким образом, чтобы свет, проходя через них, усиливался. Если поместить такой кристалл между двумя зеркалами (резонатором) и послать свет проходить через него много раз, на выходе получится импульс в сотни раз интенсивнее исходного импульса и в тысячи – солнечного света. 

Так развивалась лазерная физика в первые десятилетия своего существования. Это позволило достигать мегаваттных мощностей в сфокусированных импульсах длительностью несколько пикосекунд (триллионная доля секунды) , передавать информацию по оптическому волокну со скоростью света, резать металлы и мягкие ткани во время хирургических операций, создать лазерные принтер, пинцет и многое другое. Гонка за интенсивностями набирала обороты и уже к началу 80-х импульсы стали такими мощными, что сами усиливающие их кристаллы не выдерживали перегрева и взрывались. 

Кстати, советские ученые Басов и Прохоров получили в 1964 году Нобелевскую премию за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе. Эти исследования тоже в значительной степени повлияли на создание лазеров.

2

Хорошо, а на этот раз премию за что дали?

Донна Стриклэнд и Жерар Мур, работая над короткими лазерными импульсами в 1985 году, также столкнулись с проблемой их усиления и придумали простой и элегантный способ ее решения. Чтобы снизить пиковую мощность импульса, они изобрели способ растянуть его во времени: замедлили коротковолновую синюю часть относительно длинноволновой красной, просто отправив его по более длинной траектории между зеркалами.

Разделив большую энергию импульса на спектральные порции, ученые позволили каждой из них усиливаться на кристалле независимо, не приводя к его повреждению. После этого обратным преобразованием или «сжатием» эти порции снова собирались в единый импульс и покидали лазер. Новый метод позволил получить импульсы уже в миллиарды раз более интенсивные, чем солнечный свет и в тысячи – по сравнению с лазерами предыдущего поколения.

Гонка мощностей в импульсах разгорелась с новой силой, и конца ей не видно до сих пор.

3

Не слишком ли просто для Нобелевской премии?

Метод усиления растянутых (чирпированных, если соблюдать терминологию) импульсов был хорошо известен для волн радиодиапазона еще со времен развития радаров. Мору и Стриклэнд впервые смогли применить его для лазерных импульсов, используя в качестве растяжителя импульса оптическое волокно длиной полтора километра, а в качестве компрессора – две дифракционные решетки.

Это позволило им усилить импульс длиной 1.5 пикосекунды (то есть одна триллионная секунды) до мощности в сотни мегаватт, используя средства, которые были доступны в любой оптической лаборатории, с перспективами многократного роста мощностей в будущем.

Описанное в их ключевой статье решение заняло три странички. Оно настолько же простое, насколько и гениальное.

С момента публикации их работу процитировали больше двух тысяч раз, а предложенный ими принцип усиления импульсов стал стандартом создания высокоинтенсивных ультракоротких импульсов и используется повсеместно.

4

А как все это использовать практически?

Теперь лазеры могут не только резать металл, но и разрывать химические связи, переводить вещество в состояние плазмы, стимулировать излучение рентгеновских лучей, ускорять элементарные частицы до релятивистских скоростей и запускать термоядерные реакции. Но применения метода усиления растянутых импульсов ограничиваются не только фундаментальной физикой.

Длительность таких импульсов может быть намного меньше времени, необходимого на перенос тепла. А это позволяет воздействовать на материалы только в точке фокусировки с невиданным ранее пространственным разрешением.

Метод часто используется в современной медицине. Например, во всех операциях лазерной коррекции зрения.

5

Вы еще что-то говорили про пинцет…

Лазерный пинцет или оптическая ловушка используют эффект давления света и градиентных сил для захвата микрообъектов и фиксации их положения в пространстве. Это могут быть частицы пыли, живые клетки или даже одиночные атомы.

Гифка: так работает лазерный пинцет.

Принцип действия основан на том, что лазерный луч оказывает на частицы давление. Чтобы скомпенсировать действующие силы и обездвижить частицы, можно облучать ее двумя лучами с противоположных сторон или одним, но сильно сфокусированным. Если частица отклоняется от равновесия, сила увеличивается и луч мягко возвращает ее на место.

6

А на меня свет тоже давит?

Конечно, только очень слабо. Эффект давления света известен давно, но раньше считалось, что на земные процессы он не оказывает никакого влияния.

Иоганн Кеплер использовал гипотезу давления света, чтобы объяснить, почему хвост кометы всегда направлен от солнца, и оказался прав почти полностью.

Все изменилось с появлением лазеров - величины достигаемых сил давления достигли заметных величин. 

7

В чем заслуга Эшкина? Почему ему дали целую половину премии?

Артур Эшкин первым продемонстрировал оптическую ловушку на одном сильно сфокусированном лазерном луче для небольших частиц в 1986 году. Помимо этого он описал математическую основу принципов работы оптических ловушек для частиц различных размеров.

С тех пор он посвятил свою карьеру развитию технологии и ее применению в биологии. Для нее это особенно актуально, потому что клетки в биологических жидкостях очень подвижны из-за броуновского движения. Кстати, Эшкин – старейший лауреат Нобелевской премии, на момент вручения ему исполнилось 96 лет.

8

А для животных это не опасно?

Нет, просто появился новый инструмент для изучения клеток. Мягкий захват живых клеток в естественной среде обитания в поле микроскопа позволил изучать живые системы намного детальнее, чем раньше.

Лазерные пинцеты научились не только фиксировать частицы, но и вращать их, сталкивать или резать на части. А если в мощные оптические ловушки помещать не клетки, а отдельные атомы, лазерное излучение будет подавлять их колебания, таким образом понижая температуру до сверхнизких значений.

Стивен Чу, один из соавторов первых работ Артура Эшкина в своей дальнейшей карьере сосредоточился на применении оптических ловушек для охлаждения одиночных атомов. Это позволило ему перевести вещество в новое агрегатное состояние. За открытие он получил Нобелевскую премию еще в 1997 году, почти на 20 лет раньше своего коллеги. 

9

Узнать больше

Хотите узнать, почему российские ученые так редко получают Нобелевскую премию и как можно улучшить результат? Заходите на наш курс «Нобелевская кухня», там мы все объясним.

Похожие материалы

«Из-за его шуток были проблемы с американскими физиками»

Подкаст
46 мин

Понравилась бы Нобелю нынешняя премия?

Гайд
20 мин

«Нобелевка» русским не светит? Проверяем

Гайд
20 мин