Суспільство

  ▪   Олег Фея

Сила світла. За що дали Нобелівську премію з фізики-2018

ІЛЮСТРАЦІЯ: NIKLAS ELMEHED
Нобелівський комітет вирішив розділити премію з фізики між Артуром Ашкіним та Жераром Муру з Донною Стрікленд за «новаторські винаходи в галузі лазерної фізики».
Матеріал друкованого видання
№ 40 (568)
від 4 жовтня

Ашкін винайшов лазерний пінцет, що може дуже обережно маніпулювати з наночастинками й навіть бактеріями, не завдаючи їм шкоди, а Муру та Стрікленд — фемтосекундний лазер, здатний фокусувати в одній точці потужність, що на порядки перевищує сумарну всіх електростанцій світу.


У 1971 році на Одеській кіностудії зняли фільм «Блакитне небо», присвячений професорові Леоніду Ліннику, українцеві, що вперше у світі застосував лазерне випромінювання для лікування офтальмологічних захворювань. Винайдений ним у 1963‑му метод лазерної коагуляції сітківки використовують і понині, а роком пізніше Нобелівську премію «за фундаментальні роботи в царині квантової електроніки, що привели до створення квантових генераторів і підсилювачів на основі мазерно-лазерного принципу» здобули американець Чарльз Таунс і радянські вчені Алєксандр Прохоров та Ніколай Басов. Тріумфальний шлях лазерів почався за 10 років до того, із винайденням першого у світі квантового генератора мазера. А сучасний світ узагалі неможливо без них уявити. Зчитування штрих-кодів, компакт-дисків, лазерні указки, принтери, термічна й механічна обробка матеріалів, голограми, волоконно-оптичний зв’язок. Лазери широко використовують у медицині й мікроелектроніці, у косметології та енергетиці.

 

 

Як це працює. Схема лазерного пінцета

 


Почалося все з роботи Айнштайна, що в 1916-му описав вимушене квантове випромінювання — основу роботи всіх лазерів. Власне, саме слово «laser» — абревіатура від light amplification by stimulated emission of radiation (підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання). В атомах електрони здатні необмежено довго перебувати на виділених орбітах, а будь-який перехід між ними супроводжується поглинанням або випромінюванням енергії. У звичайному стані в будь-якій квантовій системі значно більше атомів, чиї електрони перебувають на нижчих енергетичних рівнях. Для роботи лазера потрібно, щоб збуджених атомів стало більше. Тоді, якщо крізь речовину пропустити енергетичний промінь, його фотони спричинятимуть вимушене випромінювання атомів, переводячи їхні електрони на нижчі рівні, що вивільнить додаткову енергію. Так утворюється лазерний промінь. Вузькоспрямований — усі фотони рухаються в один бік. Монохроматичний — усі вони мають більш-менш однакові довжини хвиль. Когерентний — піки цих хвиль зміщені одне відносно одного на певну відстань, що не змінюється. І надзвичайно потужний. Найпростіші лазери мають три робочі рівні енергії. Електрони переходять з нижчого на найвищий, звідти майже одразу переміщаються на посередній, метастабільний рівень, де накопичуються деякий час й одночасно «падають». За цією класичною схемою працює, наприклад, сапфіровий лазер, легований іонами хрому.

 

Читайте також: Наукові новини: війна з плагіатом, спіни та ДНК-оригамі


Винаходи Ашкіна та Муру із Стрікленд можна назвати лазерними пінцетом та скальпелем. Ашкін, якому нині 96 років (найстаріший лауреат в історії, до речі), із молодості полюбляв наукову фантастику. Поширеним приладом у фантастичних книжках чи фільмах є лазерний промінь, що здатен піднімати предмети або людей. І науковець утілив ці фантазії в життя. Лазерний пінцет не зможе підняти людину, зате підіймає бактерії та віруси, не завдаючи їм шкоди, що дало потужний інструмент у руки біологів.

 

Практичне застосування. Тривимірні голограми


У 1970-му Ашкін відкрив градієнтну силу, що діє на частинки в лазерному промені. Вона зміщує об’єкти в бік збільшення інтенсивності променя, яка сягає максимуму на його осі. Природа цієї сили полягає в тиску світла: безліч фотонів бомбардує частинку, змінюючи її положення. Світловий тиск відкрив у 1900 році російський фізик Пьотр Лєбєдєв. Він світив на шальки крутильних терезів, зауважуючи їхнє зміщення під дією електромагнітного випромінювання. Під час проголошення премії член Нобелівського комітету продемонстрував принцип дії оптичної пастки, розмістивши в потоці повітря фена невеличку кульку. У 1986-му Артур Ашкін реалізував першу версію оптичної пастки, або ж лазерного пінцета, як її назвали згодом. Він пропускав лазерний промінь крізь лінзу, а досліджуваний об’єкт перебував у її фокусі. Там градієнтна сила сягала максимуму й легкі мікрочастинки, пилинки та навіть віруси й бактерії опинялися в пастці, не ладні зрушити з фокуса.


Проте не тільки біологи вхопилися за винахід. Цього року в Nature вийшла стаття з описом технології тривимірних голограм, розроблених на основі лазерних пінцетів. Ще один винахід із наукової фантастики! А в 1997‑му Нобеля з фізики отримав Стівен Чу, співавтор відкриття Ашкіна. Чу придумав, як охолоджувати речовину за допомогою лазерних пасток, і досяг найнижчої температури в історії.

 

Читайте також: Біля Нобеля


Якщо лазерним пінцетом можна ніжно взяти вірус і не нашкодити йому, то винахід Муру й Стрікленд — концентрована енергія, що випалює все на власному шляху. У своїй першій науковій публікації в 1986 році аспірантка Рочестерського університету Донна Стрікленд разом зі своїм науковим керівником Жераром Муру запропонувала метод підсилення та скорочення лазерних променів без знищення активного середовища лазера. Так з’явився фемтосекундний лазер — найкращий в історії пристрій для концентрування енергії. Потужність у центрі його променя сягає петавата (1015 Вт), що в кілька сотень разів більше за сумарну потужність усіх електростанцій світу.


Ще в 1970-х науковці зіткнулися з проблемою: теоретично потужність лазерів можна збільшувати скільки завгодно, а практично виникли труднощі, адже великі енергії просто знищували робоче середовище пристроїв. Муру та Стрікленд придумали, як елегантно обійти ці обмеження. Їхній метод назвали підсиленням чірпованих імпульсів (chirped pulse amplification). Слово «chirp» перекладають як «цвірінькання». У співах маленьких пташок одразу йдуть високі частоти, потім середні, і закінчуються вони низькими — такий собі розтягнутий імпульс. Муру міркував так: якщо потужні імпульси спалюють лазери, то чого б не розкласти імпульс за частотами, кожна з яких нестиме меншу енергію, а потім не скласти все докупи?


Проходячи крізь призму, світло розкладається на різнокольоровий спектр. Після дощу інколи можна помилуватися дисперсією світла в чистому вигляді — райдугою. У призмі хвилі світла з різними довжинами (а саме від довжини, або ж частоти, залежить те, який колір ми бачимо) йтимуть із трохи різними швидкостями. Так, на виході з призми імпульс ніби розтягується, а його потужність зменшується, бо ж тепер енергія ніби «розмазана» по більшому об’єму. Такий імпульс можна підсилити, і при цьому сам лазер не згорить, а потім зібрати докупи всі складові, пропустивши їх через дифракційну ґратку. Доволі проста ідея спричинила справжню революцію в лазерних технологіях.

 

 

Донна Стрікленд,  Жерар Муру,  Артур Ашкін


Та не поспішайте робити з фемтосекундного лазера зброю із «Зірки Смерті». Довжина самих імпульсів — кілька фемтосекунд, 10–15 с. Уся ця сконцентрована потужність десятків тисяч електростанцій відповідає енергії лише в кілька Джоулів, адже діє протягом фемтосекунд. Для порівняння: щоб нагріти літр води лише на один градус, необхідно 4200 Дж.


Немов надтонкий і точний скальпель, фемтосекундний лазер може робити ювелірні надрізи в речовині. Він значно краще підходить для операцій на очах ніж, наприклад, наносекундні лазери. Петаватний імпульс діє в мільйон разів менше за часом, ніж імпульс довжиною в наносекунди, і не встигає нагріти й уразити тканини. Їхню роботу можна порівняти з уколом звичайним шприцом та ударом молотком. Також можна покращити системи зберігання даних, для чого використовувати не лише їхні поверхні, а й створені лазером дірочки в об’ємі.

 

Читайте також: Шлях до мрії завдовжки 40 років


Наразі Муру працює над ще потужнішими лазерами. У планах — досягти потужності в 10 ПВт і 100 ПВт. Такі лазери відкриють двері до фізики екстремальних енергій. У їхньому фокусі можна буде отримувати ультрарелятивістську плазму й теплу щільну речовину — екзотичний і малодосліджений вид матерії. Це збільшить можливості вивчати процеси, що відбувалися в перші секунди після появи Всесвіту, не виходячи з лабораторії.


59-річна ж Стрікленд досліджує нелінійну оптику й застосування лазерів для лікування хвороб криш­талика ока, наприклад пресбіопії, коли людина не може сфокусуватися на дрібному тексті, розміщеному поблизу. Вона стала третьою жінкою в історії, що здобула Нобелівську премію з фізики. Раніше її видавали Марії Кюрі за дослідження радіоактивності, а також Марії Ґепперт-Маєр за вивчення оболонкової структури атомних ядер.