Кончиком лазерного луча

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2018 года стали ученые, сделавшие революционные изобретения в области лазерной физики. Научная биография одного из них в последнее время тесно связана с Россией
Кончиком лазерного луча
Нобелевская премия по физике 2018: лауреатами стали Артур Эшкин, Жерар Муру и Донна Стрикланд
nobelprize.org

Новаторские разработки новых нобелевских лауреатов изначально обладали очевидным и значительным прикладным потенциалом, и вместе с тем созданные ими приборы и методики дали сильный толчок дальнейшему развитию фундаментальных исследований во многих научных областях.

Половина денежного приза досталась американцу Артуру Эшкину, который изобрел лазерные оптические пинцеты (optical tweezers), удерживающие и перемещающие в пространстве различные микроскопические объекты. Эта технология, разработанная Эшкином, в дальнейшем получила особенно широкое практическое применение в биологии и медицине, став важнейшим инструментом сверхточного манипулирования различными микробиологическими объектами (в том числе вирусами, бактериями и прочими живыми организмами).

magnifier.png Половина денежного приза досталась американцу Артуру Эшкину, который изобрел лазерные оптические пинцеты, удерживающие и перемещающие в пространстве различные микроскопические объекты

Вторую половину поделят между собой француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикленд, предложившие новую эффективную методику генерации и усиления лазерных импульсов с линейной частотной модуляцией (Chirped Pulse Amplification, CPA). При помощи этих сверхкоротких и сверхмощных лазерных импульсов длительностью менее 100 аттосекунд (1 ас = 10–18 с) ученые теперь могут практически в реальном времени отслеживать различные процессы, скорость развития которых еще недавно казалась неподвластной возможностям современной науки.


Утонченный выбор Шведской академии

Артур Эшкин получил высшую научную награду в возрасте 96 лет, и это новый абсолютный рекорд долголетия по всем нобелевским номинациям: ранее он принадлежал 90-летнему Леониду Гурвичу, ставшему лауреатом Нобелевки по экономике в 2007 году, а в области физики самым старшим лауреатом был Реймонд Дейвис, который получил Нобелевскую премию в 88 лет.

magnifier.png При помощи этих сверхкоротких и сверхмощных лазерных импульсов ученые получили возможность практически в реальном времени отслеживать процессы, скорость развития которых еще недавно казалась неподвластной возможностям современной науки

В ходе прямой видеотрансляции церемонии объявления лауреатов генеральный секретарь Королевской шведской академии наук Гёран Ханссон с сожалением уточнил, что «“нобелевский Мафусаил” Эшкин пока отказывается давать комментарии по поводу присуждения ему награды ввиду того, что он сейчас “слишком занят работой над своим последним научным исследованием”» (правда, спустя несколько часов маститый американский физик все-таки выкроил несколько минут из своего плотного рабочего графика для телефонного интервью с представителем Нобелевского комитета).

Что же касается второй пары лауреатов, 74-летнего Жерара Муру и 59-летней Донны Стрикленд, то они долгое время работали в тандеме: Стрикленд была аспиранткой Муру в его лаборатории в американском Университете Рочестера. Результаты опубликованных ими в середине 1980-х пионерских исследований легли в основу докторской диссертации Стрикленд.

magnifier.png Донна Стрикленд стала третьей женщиной — лауреатом Нобелевской премии по физике (а всего среди нобелиатов женщин теперь насчитывается 209). До нее этой награды удостоились две Марии: Мария Склодовская-Кюри в 1903 году и Мария Гёпперт-Майер в 1963-м

Многочисленные СМИ особо отмечают, что Донна Стрикленд стала третьей женщиной — лауреатом Нобелевской премии по физике (а всего среди нобелиатов женщин теперь насчитывается 209). До нее этой награды удостоились две Марии: Мария Склодовская-Кюри вместе с мужем Пьером Кюри получила физическую Нобелевку в 1903 году (в 1911-м она удостоилась второй премии, но уже по химии, и до сих пор остается единственным ученым, сумевшим стать нобелевским лауреатом в двух разных естественнонаучных номинациях), а спустя шестьдесят лет, в 1963-м, второй женщиной-лауреатом стала Мария Гёпперт-Майер (уроженка Германии, большую часть жизни работавшая в США), которая удостоилась премии за разработку оболочечной модели ядра, объяснившей существование так называемых магических чисел в ядерной физике.


Ловушка для микромира

Артур Эшкин (урожденный Ашкенази, потомок эмигрировавших в США после революции одесских евреев) на протяжении почти сорока лет, с 1952-го по 1991-й, был сотрудником знаменитой AT&T Bell Laboratories. К экспериментам с лазерами он приступил практически сразу после того, как они были изобретены, в самом начале 1960-х.

По словам профессора физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Андрея Федянина (его комментарии представлены в официальном пресс-релизе МГУ), Эшкин стал «основоположником практической реализации принципа так называемого оптического пинцета, который представляет собой трехмерную оптическую ловушку, создаваемую в сильно сфокусированном лазерном пучке. Принцип работы оптического пинцета основан на давлении света, экспериментально открытом профессором Московского университета Петром Николаевичем Лебедевым в самом начале двадцатого века».

Базовый механизм действия таких лазерных ловушек, удерживающих при помощи давления светового излучения микроскопические объекты в центре пучка, был разработан Эшкином еще в 1970 году, а создать первый полноценный рабочий инструмент, тот самый оптический пинцет, он смог спустя шестнадцать лет, в 1986-м. Вскоре ему удалось продемонстрировать эффективность этого прибора на практике, поймав в оптическую ловушку (и при этом не повредив) вирусы табачной мозаики и бактерии Escherichia coli (кишечная палочка).

НОБЕЛЬ ФИЗ СХЕМА.png
Для «захвата» коллоидной частицы оптический пинцет использует сильно фокусированный лазерный пучок. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси. Когда градиентная сила доминирует – частица «поймана» в области точки фокуса; в противном случае частица движется вдоль оптической оси
studfiles.net

Как отметил Андрей Федянин, помимо манипулирования с субмикронной точностью нано- и микробиологическими объектами лазерный пинцет также используется во многих других научных областях, в частности «для исследования потоков в микро- и нанофлюидике; с его помощью также можно создавать из микро- и наночастиц объемные структуры. Оптический пинцет может применяться и как сверхчувствительный динамометр, позволяющий измерять сверхмалые усилия, размером порядка фемтоньютонов, что позволило использовать его для таких задач, как, например, исследование механических свойств спирали ДНК».

Благодаря оптическим пинцетам ученые, в частности, смогли изучить механические свойства «молекулярных моторов» — крупных биологических молекул, выполняющих важнейшие функции внутри живых клеток. Первым из них стал специфический белок кинезин — моторный протеиновый димер, участвующий в перемещении компонентов клетки по клеточным микротрубочкам.

Отметим также, что заложенная в основу работы оптических пинцетов Эшкина схема еще в 1997 году принесла Нобелевскую премию по физике Стивену Чу, Клоду Коэну-Таннуджи и Уильяму Филлипсу за разработку методов охлаждения и последующего захвата атомов при помощи лазерного пучка (получение конденсатов Бозе—Эйнштейна).


Лазерные ускорители

Новая методика генерации ультракоротких лазерных импульсов с линейной частотной модуляцией была в черновом виде разработана Жераром Муру и Донной Стрикленд еще в середине 1970-х.

Группа Муру и Стрикленд была одной из множества исследовательских команд, которые работали в то время на этом горячем направлении, и в итоге в 1985 году именно им удалось предложить наиболее эффективный механизм, позволяющий многократно усиливать ультракороткие и сверхинтенсивные лазерные импульсы.

В самом общем виде, эта новая технология основывается на трехэтапном процессе: сначала лазерный импульс растягивается во времени, затем усиливается в специальной среде и, наконец, снова сжимается (компрессируется) при помощи специальных отражающих дифракционных решеток.

Методика Муру—Стрикленд (CPA) привела к созданию нового класса тераваттных и петаваттных источников оптического излучения и к настоящему времени уже стала стандартной при конструировании высокоинтенсивных лазеров.

Одно из наиболее известных практических применений этой технологии — лазерная глазная хирургия (коррекция зрения у близоруких людей). CPA также получила применение в фемтохимии (например, она сильно помогла в исследованиях молекулярных процессов лауреату Нобелевской премии по химии 1999 года Ахмеду Зевайлу); кроме того, она активно используется в различных технологических процессах, требующих высокоточной обработки металлических, стеклянных и прочих поверхностей.

Наконец, она является важнейшим элементом новой серии лазерных ускорителей, установок ELI (Extreme Light Infrastructure) — панъевропейской программы, реализуемой в нескольких странах Евросоюза (Жерар Муру и Донна Стрикленд были главными идеологами этого долгосрочного мегасайенс-проекта).

НОБЕЛЬ ФИЗ ЛИТВАК.png
Академик Александр Литвак, научный руководитель Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород)
Wikipedia

Комментируя для «Стимула» выбор Нобелевского комитета, академик Александр Литвак, научный руководитель Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) отметил:

— Это достойная оценка выдающегося вклада в лазерную физику, благодаря которому открылись новые инструментальные возможности для проведения различных экспериментов, исследования новых явлений и воздействия на материалы. Нам близки все работы, за которые была дана премия, но наиболее тесное практическое взаимодействие у нас сложилось с Жераром Муру. Первый раз он приезжал к нам в Нижний Новгород на научную конференцию в 2001 году. С этого фактически и начались наши контакты. В 2008 году наш институт номинировал его на позицию иностранного члена РАН (и его кандидатура была затем одобрена), то есть уже тогда мы очень высоко оценивали работу его и Донны Стрикленд, которая, к слову, к нам тоже приезжала, когда была президентом Американского оптического общества. Более того, в 2010 году мы пригласили Жерара возглавить первый мегапроект в Нижегородском университете, и он пять лет был его руководителем. В университете под этот мегапроект была создана лаборатория, и Жерар Муру очень тесно взаимодействовал с нашим институтом. Он же возглавил международный наблюдательный совет российского мегасайенс-проекта по экстремальному свету, в свое время одобренного в числе шести проектов мегасайенс президентом России.

magnifier.png «Работы Александра Литвака заложили теоретические основания сверхмощных лазеров еще сорок лет назад и, безусловно, являются работами нобелевского уровня. Я готов работать в России. Я вижу, что именно здесь можно построить эту уникальную систему»  

В свою очередь Жерар Муру в интервью одному из авторов этой статьи, которое состоялось еще до объявления о присуждении ему Нобелевской премии, сказал, что он мечтал осуществить международный проект по строительству лазера экзаваттного уровня ELI (Extreme Light Infrastructure) во Франции, «но в связи с тем, что Франция уже взялась за строительство нескольких мегапроектов, это оказалось невозможным. И тогда я согласился с тем, что Россия — достойный претендент на проведение этой работы, потому что в России есть технологии, есть история, очень много теоретиков и вообще много идей, которыми, так сказать, “опыляется” ELI. А работы Александра Литвака заложили теоретические основания сверхмощных лазеров еще сорок лет назад и, безусловно, являются работами нобелевского уровня. Я готов работать в России. Я вижу, что именно здесь можно построить эту уникальную систему».

Еще по теме