Пинцет для атомов и укрощение лазеров — что это и зачем нужно

Сегодня в Стокгольме были названы имена лауреатов Нобелевской премии 2018 года по физике. Лауреатами стали американец Артур Эшкин, француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикленд «за фундаментальные открытия в сфере лазерной физики», говорится в сообщении на сайте Нобелевского комитета.

Половина премии присуждена Артуру Эшкину, профессору из знаменитой лаборатории Bell, где в середине прошлого века был изобретен транзистор — «кирпичик» современной электроники. Эшкин награжден за создание оптических пинцетов и их применение в биологических системах. Вторую половину получили Муру и Стрикленд — за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. Муру работает в знаменитой парижской Политехнической школе, а также в Университете Мичигана (США). Стрикленд — профессор Университета Ватерлоо (Канада).

Интересно, что результаты премии по физике объявляются не только по-шведски и по-английски. После этого председатель комитета повторяет формулировку на немецком, французском и русском языках.

Что такое оптический пинцет и как это работает?

Эшкин придумал так называемый оптический пинцет — систему, которая позволяет брать и перемещать микроскопические объекты, вроде атомов, живых клеток или вирусов, так, как мы перемещаем мелкие видимые объекты с помощью обычного пинцета. Эти манипуляции проводятся с помощью особенным образом устроенного лазерного пучка. Микрочастица, попадая в его электрическое поле, сама становится заряженной, однако неравномерно. В результате этого она «прилипает» к особым образом сфокусированному лазерному пучку.

Оптический пинцет стал частью лабораторного оборудования для ученых, которые работают с белками, ДНК, клетками и их частями. Одновременное использование большого количества пинцетов позволяет, например, разделить клетки крови на здоровые и зараженные (это одна из надежд в борьбе с малярией).

Что такое оптические импульсы и зачем их укорачивать?

Муру и Стрикленд придумали способ обуздать лазеры. В 80-х годах люди научились получать лазеры все большей и большей мощности, однако их нельзя было использовать — из-за высокой интенсивности они превращали в плазму все на своем пути, включая воздух, и разрушали системы, через которые проходят.

В 1985 году нынешние нобелиаты придумали, как сначала растянуть лазер двумя дифракционными решетками, а затем снова собрать его еще двумя — в вакууме. Этот метод получил название усиления чирпированных импульсов.

В результате лазер куда более высокой интенсивности испускался очень короткими импульсами. Такими короткими, что представить это крайне сложно — фемтосекунда равняется 10–15секунды, это одна квадриллионная доля секунды. Это фактически сняло все ограничения на мощности лазерных систем.

Как это помогло людям вернуть потерянное зрение?

Столь экзотические и непростые для понимания объекты на самом деле используются не только в науке, — их может встретить в своей жизни обычный человек. Точнее, они открывают обычному человеку в его жизни возможности, которые были до этого абсолютно нереальны.

Такова лазерная коррекция зрения. Метод фемтосекундной лазерной коррекции зрения (Small Incision Lenticula Extraction) удаляет часть роговицы глаза человека и тем самым корректирует близорукость.

Идея лазерной коррекции была предложена еще в 1960-е годы, однако до работ Муру и Стрикленд воплотить в жизнь ее было невозможно: длительные импульсы перегревали ткани глаз и повреждали их, а короткие были слишком слабыми для получения нужного надреза в роговице. Сегодня миллионы людей по всему миру прооперированы и вернули потерянное, казалось бы безвозвратно, зрение. Сама процедура доступна и безболезненна.

Почему сверхкороткие импульсы — изобретение будущего?

Сверхкороткие и мощные импульсы лазера используются сотнями разных способов. С их помощью наблюдают процессы в живой материи и химические реакции очень точно — ведь импульс очень короткий и позволяет зарегистрировать даже короткоживущие промежуточные состояния.

С их помощью можно резать или «протыкать» очень маленькие дыры в очень маленьких объектах (и снова — невообразимо маленьких), управляя, таким образом, свойствами материалов.

Так, например, производят хирургические стенты. Сам Муру, впрочем, видит свое открытие как изобретение будущего, главные применения которого еще впереди: это более быстрая электроника, более эффективные солнечные батареи, катализаторы, новые источники энергии и более мощные ускорители.

Последнее — не прихоть исследователей элементарных частиц: мощные, но компактные ускорители могут значительно продвинуть медицину — как терапию, так и диагностику, прежде всего, онкологических заболеваний.

Был ли Эшкин обижен на комитет?

Артур Эшкин стал самым пожилым лауреатом за всю историю премии: менее месяца назад ему исполнилось 96 лет, то есть родился он в 1922 году. Правда, судя по всему, на почетную пенсию он так и не ушел: в ответ на звонок из Нобелевского комитета он ответил, что несколько занят, потому что пишет научную статью.

Это немного напоминает реакцию эксцентричного экс-россиянина Андрея Гейма, который после известия о Нобелевке за открытие графена в 2010 году не присоединился к празднующим коллегам, а закрылся в кабинете, «потому что работать надо». Эшкин, возможно, был обижен на комитет — развивший его идеи Стивен Чу получил Нобелевку за охлаждение и удержание атомов с помощью лазеров еще в 1997 году.

Женщина-физик — нобелевский лауреат?

Донна Стрикленд молода — ей нет и шестидесяти, — зато она женщина. Третья женщина-нобелиат в истории Нобелевской премии по физике.

Первой женщиной-лауреатом по физике была Мария Кюри в 1903 году, ставшая также первой женщиной-лауреатом Нобелевской премии вообще. Затем Мария Гёпперт-Майер получила премию в 1963 году. Работу, которая принесла ей премию, Стрикленд выполнила еще в аспирантуре, работая под научным руководством Жерара Муру.

Почему лауреат-француз работал в Нижнем Новгороде?

Один из лауреатов — француз Жерар Муру — в течение нескольких лет работал в России в Университете Лобачевского в Нижнем Новгороде. Этот выбор не случаен: нижегородский Институт прикладной физики — один из крупнейших лазерных центров России. В частности, это один из двух российских научных центров, которые участвовали в ставшем знаменитым эксперименте LIGO, который зарегистрировал гравитационные волны (за это открытие Нобелевская премия по физике была вручена в прошлом 2017 году).

Муру долгое время сотрудничал со специалистами этого центра, и когда в 2010 году был объявлен конкурс так называемых «мегагрантов» — крупных грантов для привлечения ведущих ученых к работе в российских университетах, Нижегородский университет принял решение обратиться к Муру, рассказывает его коллега, заведующий кафедрой общей физики профессор Михаил Бакунов.

«Мегагрант мы получили в 2010 году, он длился три года, а потом был продлен. Так появилась Лаборатория экстремальных световых полей, где Жерар проводил по четыре месяца в году. Нам удалось создать уникальный петаваттный лазерный комплекс, который продолжает работать и сейчас», — сказал Бакунов.

Зачем физик исследовал иконы?

«Жерар — увлекающийся человек с очень широким кругом интересов, поэтому он не только придал импульс развитию лазерных систем в нашем городе, но начал новые интересные применения. В частности, мы начали исследование предметов искусства с помощью терагерцового излучения — его можно генерировать с помощью лазера. Это излучение с длиной волны 300 микрон, что-то среднее между светом и микроволнами. С помощью этого излучения можно заглядывать внутрь непрозрачных предметов. Наши аспиранты ездили в Лувр исследовать фрески, а здесь мы вместе с Жераром исследовали иконы.

У одной из икон был дефект на поверхности непонятного происхождения. Мы его исследовали и помогли, таким образом, определить оптимальную стратегию реставрации и консервации. А однажды Жерар позвонил мне из Москвы и рассказал, что он в соборе Василия Блаженного, где поздние фрески и штукатурку сбивают, чтобы найти более ранние, — а ведь это можно было бы сделать без разрушения, с помощью терагерцового излучения!

Сейчас он развивает мысль уничтожать космический мусор с помощью лазеров, на эту тему уже была конференция. У него есть работы по хирургии глаза с помощью фемтосекундного лазера, они были сделаны в Мичигане. Несмотря на возраст, Жерар — человек, который постоянно фантазирует и выдает идеи», — продолжает Бакунов.

Что позволило 74-летнему лауреату переплыть Волгу?

Как оказалось, бодрость, перелеты и активная работа в 74 года не обошлись без спорта. По словам его коллеги, Муру проплывает каждый день по километру — в бассейне или в открытой воде. А однажды даже переплыл Волгу ниже Нижнего Новгорода.

«Он очень доступный человек. Когда он сидел у нас на кафедре, любой студент или аспирант мог подойти к нему и поговорить про физику. Хотя Жерар и тогда уже был научной величиной мирового уровня», — подытожил ученый.


Originally published at www.pravmir.ru.

Dr. Alexandra O. Borissova

Written by

Science Communication scolar, journalist, BUKA

Welcome to a place where words matter. On Medium, smart voices and original ideas take center stage - with no ads in sight. Watch
Follow all the topics you care about, and we’ll deliver the best stories for you to your homepage and inbox. Explore
Get unlimited access to the best stories on Medium — and support writers while you’re at it. Just $5/month. Upgrade