Лазерная революция: нобелевские лауреаты по физике научились двигать молекулы лучом

Нобелевскую премию по физике 2018 года получили (слева направо): Артур Ашкин (Arthur Ashkin), Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland).

Иллюстрация Niklas Elmehed.

Сила светового давления прижимает образец к центру луча.

Фото с сайта nobelprize.org.

С помощью оптического пинцета можно заставить образец левитировать.

Фото с сайта nobelprize.org.

Метод основан на разложении лазерного света в призмах и последующем "собирании" его обратно.

Фото с сайта nobelprize.org.

Сегодня в Стокгольме были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике 2018 года. Лауреатами этого года стали Артур Ашкин (Arthur Ashkin), Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland). Премия присуждена им "за новаторские изобретения в области лазерной физики".

Ашкин получит половину призовой суммы "за создание оптических пинцетов и их применение к биологическим системам". Вторую половину разделят между собой Муру и Стрикленд "за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов".

Поясним, в чём состоит изобретение первого лауреата. Оптический пинцет – это устройство, которое манипулирует объектами с помощью лазерного луча. Он помогает переносить с места на место, например, живые бактерии или крупные молекулы. Кроме того, с помощью лазерного луча можно подталкивать или тянуть мишень в нужном направлении, поворачивать её и разрезать на фрагменты.

Дело в том, что интенсивность в лазерном луче убывает от центра к краям. Поэтому сила давления света прижимает небольшой объект к центру луча и удерживает его там, как пинцетом (отсюда и название инструмента).

Первые опыты учёный провёл вскоре после изобретения лазера в 1960-х годах. Он облучал прозрачные сферы диаметром около микрометра. Обнаружив, что мишени тяготеют к центру луча и объяснив это явление, физик решил усилить эффект. Он добавил в установку сильную линзу для фокусировки лазерного света и получил первый оптический пинцет.

Сила светового давления прижимает образец к центру луча.

В 1987 году Ашкин научился манипулировать живыми бактериями с помощью своего детища. Это произошло в какой-то мере случайно. Учёный стремился освоить обращение со всё более мелкими фрагментами и использовал для этого вирусные частицы табачной мозаики. Однако вскоре он обнаружил, что в оптическую ловушку попал более крупный "зверь": бактерии.

Зелёный лазерный луч установки Ашкина убил этих одноклеточных. Тогда физик сменил излучатель на инфракрасный лазер. Кванты инфракрасного "света" гораздо менее энергичны, чем оптические, и такая ловушка позволила бактериям не только выжить, но и размножаться в ней. После этого учёный много лет оттачивал методы манипуляции живыми бактериями, вирусами и эукариотическими клетками.

С помощью оптического пинцета можно заставить образец левитировать.

Отдельной областью применения стала работа с крупными биологическими молекулами, такими как ДНК, РНК и белки. Это позволило исследовать "внутреннюю жизнь" клетки прямо в процессе её функционирования, ведь в специальном режим лазерный луч проходит через клеточную мембрану, не повреждая её.

Сегодня оптические пинцеты стали "золотым стандартом" оснащения биологических лабораторий. В том, что на человечество обрушилась лавина биологических открытий, есть немалая заслуга Ашкина.

Расскажем теперь о заслугах Муру и Стрикленд. Их революционная работа была издана в 1985 году и стала первой научной публикацией Стрикленд (Муру был её научным руководителем). Их исследование было посвящено тому, как получить короткие и мощные лазерные импульсы.

Напомним вкратце механизм работы лазера. Возьмём для примера лазер, основанных на электронных переходах. Каждый электрон в веществе находится на каком-то энергетическом уровне. В нормальном случае на нижних энергетических уровнях, где энергия меньше, находится больше электронов, чем на верхних.

В лазере искусственно создаётся обратная ситуация, когда более "энергичные" уровни гуще заселены. После этого начинается своего рода цепная реакция. Попавший в такую среду фотон вынуждает какой-нибудь электрон перейти на уровень ниже и испустить следующий фотон, тот делает то же самое, и так далее. Получается лавина фотонов – лазерный импульс.

С момента изобретения лазера физики стремились сделать импульсы как можно более мощными. Однако к середине 1980-х потенциал существовавших технологий был исчерпан. Импульсы не удавалось сделать мощнее без разрушения среды, в которой они образуются.

Муру и Стрикленд предложили изящное решение. Сначала импульсы следует растянуть, то есть сделать колебания интенсивности более медленными. Для этого используется обычное физическое явление – дисперсия. Свет в системе излучается в довольно широком диапазоне спектра, а каждая длина волны имеет собственную скорость в среде. Поэтому импульсы, разложенные с помощью пары призм, "расплываются".

Метод основан на разложении лазерного света в призмах и последующем "собирании" его обратно.

При этом их общая мощность сохраняется, но пиковая мощность становится намного ниже. Поэтому её можно увеличить, не повреждая вещество "усилителя". На финальном этапе импульсы снова "стягиваются", то есть возвращаются к прежней частоте чередования.

Эта технология, известная как усиление чирпированных импульсов, ныне стала стандартом для создания мощных лазеров с ультракороткими импульсами. Их возможные применения необозримы. Например, при продолжительности импульса в микросекунды можно следить за ходом химических реакций. Пикосекунды позволяют изучать колебания молекул, а аттосекунды – движение электронов в атоме.

Есть у подобных лазеров и чисто практические приложения: микрохирургия глаза, новые технологии хранения данных, изготовление медицинских стентов и так далее. Все эти технологии появились в том числе и благодаря статье, опубликованной Муру и Стрикленд более 30 лет назад.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, кому досталась Нобелевская премия 2018 года по физиологии и медицине.