Нобель з фізики: за лазерні інструменти

Нобелівською премією з фізики 2018 року відзначили трьох вчених, які революціонізували лазерну фізику. Артурові Ешкену (Arthur Ashkin) зі США вручили половину нагороди за винайдення оптичного пінцета – методу, що дає змогу лазерним випромінюванням маніпулювати бактеріями, вірусами і навіть атомами. Іншу половину премії отримали Жерар Муру (Gérard Mourou) з Франції і Донна Стрікленд (Donna Strickland) з Канади, які розробили метод створення надшвидких та більш інтенсивних лазерних імпульсів.

Артур Ешкен (Arthur Ashkin) зі США, Жерар Муру (Gérard Mourou) з Франції і Донна Стрікленд (Donna Strickland) з Канади отримали Нобеля з фізики 2018 року за напрацювання методів оптичного пінцета та стиснення лазерних імпульсів.

Від каси в супермаркеті до оптичного перенесення даних і нанотехнологій, а також полювання за гравітаційними хвилями – сьогодні без лазера неможливо уявити ні повсякденне життя, ні науку. Одні з важливих переваг лазера – висока інтенсивність та когерентне світло: воно коливається паралельно і ніби в такт, водночас промінь сильно сфокусований, тобто гострий.

Усередині 60-х рр. ХХ століття, незабаром після винайдення лазера, в Лабораторії Белла американський фізик Артур Ешкен почав експериментувати з цією новою формою світла. Він думав: ймовірно, цей промінь паралельного та когерентного світла згодиться для того, щоби переносити чи змінювати маленькі об’єкти – як це робив тракторний промінь (tractor beam) у поширеному науково-фантастичному серіалі «Зоряний шлях».

Вже тоді було відомо, що світло чинить тиск: фотони, які потрапляють на поверхню чи об’єкт, створюють силу, яка, наприклад, тягне хвіст комети від Сонця або штовхає сонячне вітрило в космосі вперед.

Коли Ешкен світив лазером на крихітні прозорі кульки, не дивувало, що вони рухалися в напрямку світлового променя. Несподіваним став інший ефект: кульки постійно дрейфували досередини лазерного променя – навіть коли Ешкен їх поміщав назовні. Він з’ясував: це було пов’язане з тим, що інтенсивність лазерного променя посередині була найвищою. Тож градієнтна сила зумовлює те, що об’єкти тягне до місця найвищої інтенсивності лазера.

Це спостереження стало для Ешкена вихідним пунктом: чи можливо використати такий ефект, щоби втримувати об’єкти у лазерному промені й навіть конрольовано їх «хапати» і ними маніпулювати?

Ешкен з командою з’ясували, що залучивши сильну мікроскопічну лінзу, лазерний промінь можна так сфокусувати, що градієнтна сила стає пасткою для найменших об'єктів. Їх утримують у точці найвищої інтенсивності, й навіть прямий потік світлових частинок не може їх відірвати і віднести з собою – так винайшли оптичний пінцет.

1986 року з допомогою цього пінцета Ешкену вперше вдалося схопити окремі атоми та прицільно ними ворушити. Незабаром він настільки удосконалив метод, що можна було зловити навіть такий делікатний матеріал, як віруси, бактерії та інші живі клітини.

Сьогодні дослідження неможливо уявити без оптичного пінцета. З його допомогою учені маніпулюють генетичними молекулами ДНК, будують наноконструкцію атом за атомом і досліджують процеси всередині клітин. Нехай у крихітному масштабі, та тракторний промінь з наукової фантастики перейшов у реальність.

Принцип роботи лазерного пінцета. Зображення: Nobel Foundation.

Другу половину цьогорічної Нобелівської премії розділили Донна Стрікленд і Жерар Муру. Вони розробили метод так званого підсилення чирпованих імпульсів (chirped pulse amplification, CPA) – техніку, з допомогою якої лазерні промені можна скорочувати та стискати, як ніколи раніше.

Якщо лазерний промінь просто поділити на коротші імпульси, то їхня інтенсивність слабне, тобто кожен імпульс місить менше фотонів. Це можна компенсувати, якщо зв’язувати товстіші промені. Але це, своєю чергою, потребує великих і наддорогих приладів, а цим установкам треба годинами охолоджуватися після кожного імпульсу.

Цю проблему розвз’язали Стрікленд і Муру – втіливши ідею, котра на перший погляд могла б здатися контрпродуктивною. Адже при підсиленні чирпованих імпульсів лазерний імпульс спочатку витягують у спеціальному світловому провіднику, внаслідок чого він стає слабшим. Потім цей витягнутий імпульс живлять підсилювачем, що сьогодні найчастіше становить собою сапфір, активований іонами титану. Він збільшує амплітуду лазерних коливань, тобто інтенсивність лазера.

Третім і останнім кроком було тимчасово стиснути цей підсилений промінь. Так зростала інтенсивність лазера, а він ставав коротшим. Завдяки цій техніці стало можливим створювати ультракороткі лазерні імпульси з високою інтенсивністю – і сьогодні вони становлять важливий інструмент науки.

За допомогою фемто- та аттосекундних імпульсів науковці розшифровують структуру складних молекул, стежать практично наживо за тим, як виникають або руйнуються хімічні сполуки, занурюючись глибоко в основи матерії. Навіть прискорювач частинок і лазерний скальпель мають в основі ультракороткі лазерні імпульси – тобто винахід Стрікленд і Муру.

Завдяки підсиленню чирпованих імпульсів лазерний промінь можна дуже сильно стиснути та обрізати. Зображення: Nobel Foundation.