Інструменти, створені зі світла, або За що дали Нобелівську премію з фізики у 2018 році
Відзначені премією відкриття дозволили зробити не один прорив у науці і змінили побут мільйонів людей по всьому світу
У Стокгольмі були названі імена чергових лауреатів Нобелівської премії в області фізики. Половину нагороди присудили американському вченому і винахідникові Артуру Ашкіну. Другу половину поділили француз Жерар Муру і канадка Донна Стрікланд, які довгий час співпрацювали. Примітно, що Стрікланд стала лише третьою в історії жінкою, відзначеною "Нобелівкою" в області фізики, а Ашкін – найстаршим лауреатом цієї премії. На момент присудження йому нагороди вченому виповнилося 96 років. Цим вони увійдуть в історію самої премії. А про їхній величезний внесок у науку розповідаємо словами Нобелівського комітету. Він дійсно вражає.
Відзначені цьогоріч винаходи здійснили революцію в лазерній фізиці. Надзвичайно маленькі об'єкти і неймовірно швидкі процеси постали у новому світлі. Не тільки фізика, але і хімія з медициною отримали точні інструменти для використання у фундаментальних дослідженнях і для застосування на практиці.
Артур Ашкін винайшов оптичний пінцет, який захоплює частинки, атоми і молекули за допомогою "пальців" з лазерного променя. Він також може утримувати віруси, бактерії і живі клітини та обробляти їх, не пошкоджуючи. Оптичний пінцет Ашкіна відкрив нові можливості для спостереження і управління живою машинерією.
Жерар Муру і Донна Стрікланд проклали шлях до створення найкоротших і найбільш інтенсивних лазерних імпульсів з тих, які є в розпорядженні людства. Розроблена ними технологія відкрила нові напрямки досліджень і призвела до широкого промислового та медичного застосування; наприклад, мільйони очних операцій виконуються щороку з допомогою найгостріших лазерних променів.
Подорож у променях світла
Одного разу Артуру Ашкіну приснився сон, в якому він використовував для своєї роботи промені світла для переміщення об'єктів. У культовому серіалі 1960-х рр. "Зоряний шлях" (він же "Стар трек") притягувальний світловий промінь використовувався для дистанційної маніпуляції об'єктами, у тому числі космічними астероїдами. Звісно, це звучить як наукова фантастика. Тим не менш, ми можемо відчувати енергію, яку несуть сонячні промені, – в теплий літній день ми самі і світ навколо нагрівається під ними. Однак тиск такого променя на матерію занадто слабкий, і людське тіло не відчуває його ні найменшою мірою. Але чи може сила світла бути достатньою, щоб маніпулювати дрібними частинками і атомами?
Одразу ж після винаходу в 1960 році першого лазера Ашкін почав експериментувати з новим інструментом в стінах Лабораторії Белла неподалік від Нью-Йорка. Прилад змушував світлові хвилі рухатися когерентно (пов'язано і однонаправлено), на відміну від звичайного білого світла, в якому змішані промені всіх кольорів веселки і вони розкидані по всіх напрямках.
У процесі роботи Ашкін зрозумів, що лазер може стати ідеальним інструментом для створення променів світла, які могли б переміщати дрібні частинки. Він спробував направити лазер на прозорі сфери діаметром всього мікрометр. Природно, ці сфери тут же зрушили з місця. Однак учений з подивом відзначив, що всі вони зібралися ближче до центру променя. Це пояснювалося тим, що інтенсивність випромінювання в лазері знижується від центру до країв. Тому і тиск, який лазер чинить на частинки, також змінюється, притискаючи об'єкти до середини променя і утримуючи їх в центрі.
Щоб утримувати частинки в напрямку променя, Ашкін застосував потужну лінзу, яка сфокусувала світло лазера. Вона змусила об'єкти збиратися в точку з найбільшою інтенсивністю світла. Так вийшла світлова пастка, наука також називає її оптичним пінцетом.
Живі бактерії виявляються захопленими за допомогою світла
Після декількох років роботи і цілої низки невдач Ашкіну вдалося упіймати до своєї пастки кілька атомів. Але дослідження все ж стикалися з безліччю труднощів. Одна з них полягала в тому, що наявні лазери все ж були недостатньо потужними, щоб успішно захоплювати атоми, інша – в теплових коливаннях самих атомів. Необхідно було придумати, як сповільнити частинки і "упакувати" їх в область простору куди меншу, ніж крапка в кінці цього речення. Досягти цього вдалося у 1986 році, коли оптичний пінцет почали поєднувати з іншими методами зупинки і захоплення атомів.
В той час, як уповільнення атомів саме по собі було областю вивчення, Артур Ашкін відкрив зовсім нове застосування для свого оптичного пінцета – дослідження біологічних систем. До цього його привела випадковість. Для своїх експериментів по захопленню все менших частинок він використовував зразки маленьких мозаїчних вірусів. Одного разу він випадково залишив їх відкритими на ніч, на ранок зразки були заповнені великими частками, які рухалися туди-сюди. Використавши мікроскоп, вчений виявив, що ці частинки були бактеріями, які не просто вільно плавали у середовищі – наближаючись до лазерного променя, вони потрапляли в оптичну пастку. Однак зелений лазер вбивав їх, тому, щоб зберегти бактерії живими, необхідний був слабший промінь. В невидимому інфрачервоному світлі бактерії залишались неушкодженими і навіть могли розмножуватися в пастці.
Зрештою Ашкін зосередився на дослідженнях різних бактерій, вірусів і живих клітин. Він також показав, що можливо проникати всередину клітини, не руйнуючи її мембрану.
Так американський вчений відкрив цілий світ, де міг бути застосований його оптичний пінцет. Одним з найважливіших його проривів стало відкриття можливості досліджувати механічні властивості молекулярних моторів – великих молекул, які виконують життєво важливу роботу всередині клітин. Першим описаним таким чином мотором став білок кінезин, який здійснює поступальний рух уздовж клітинного каркаса.
Від наукової фантастики до практичного застосування
За останні кілька років багато інші вчених, надихнувшись методами Ашкіна, зайнялися їх удосконаленням. Оптичному пинцету знайшли безліч застосувань. З його допомогою спостерігають, розгортають, розрізають, штовхають і тягнуть частинки, клітини і молекули, не торкаючись їх при цьому. Винахід Ашкіна став у багатьох лабораторіях стандартним обладнанням при вивченні біохімічних процесів в окремих білках, молекулярних моторах, ланцюгах ДНК і цілих клітинах. Оптична голографія - одна з новітніх передових розробок, в числі яких одночасне використання тисяч оптичних пінцетів для, наприклад, відокремлення здорових клітин крові від інфікованих, що може широко застосовуватися в боротьбі з малярією.
Артур Ашкін не перестає дивуватися тому, як сильно розвинули його технологію оптичного пінцета. Наукова фантастика його молодості завдяки його праці стала реальністю. А друга частина Нобелівської премії з фізики за цей рік дісталася науковцям, які досліджували ультракороткі і надсильні лазерні імпульси – вони колись теж вважалися неймовірним досягненням далекого майбутнього, а тепер використовуються повсюдно.
Нова технологія для надкоротких високоінтенсивних променів
Натхнення для розвитку цієї технології прийшло з науково-популярної статті, яка описувала принцип дії радара і довгі радіохвилі, які в ньому використовуються. Перенести цей принцип на більш короткі світлові хвилі виявилося досить непросто як в теорії, так і на практиці. Прорив стався у 1985 році і був описаний у першій науковій статті Донни Стрікланд, яка побачила світ у грудні. Дослідниця переїхала з Канади до Рочестерського університету у США. Її приваблювали зелені та червоні промені, які освітлювали нову лабораторію, як різдвяну ялинку, і, не в останню чергу, особистість наукового керівника – французького вченого Жерара Муру. Разом вони вивели ідею посилення коротких лазерних імпульсів до небаченого рівня.
Лазерне світло створюється ланцюговою реакцією, у якій частинки світла – фотони – генерують ще більше фотонів. Вони можуть випускатися імпульсами. З тих пір, як лазери були винайдені, майже 60 років тому, дослідники намагалися створити все більш інтенсивні імпульси. Однак в середині 1980-х років дослідження зайшли в безвихідь. Для коротких імпульсів практично неможливо було збільшити інтенсивність світла без руйнування підсилюючого матеріалу.
Нова технологія Стрікланд і Муру, відома як посилення чирпірованих імпульсів (Chirped pulse amplification або ж CPA), була простою і витонченою. Береться короткий лазерний імпульс, розтягується у часі, посилюється і знову стискається. Коли імпульс розтягується в часі, його пікова потужність виявляється набагато нижчою, тому його можна посилювати багаторазово не пошкоджуючи підсилювач. А потім імпульс знову стискається в часі, збираючи більше світла на крихітній ділянці простору – інтенсивність імпульсу після цього різко зростає.
Стрікланд і Муру знадобилося кілька років, щоб успішно звести все воєдино. Як зазвичай, велика кількість практичних і концептуальних нюансів ніяк не хотіли вкладатися в струнку та ефективну методику. Приміром, вчені стали розтягувати імпульс за допомогою нещодавно придбаного оптоволоконного кабелю завдовжки 2,5 кілометри. Але світло з нього не виходило. Виявилося, кабель був переламаний десь посередині. Коли усунули поломку, від кабелю залишилося всього 1,4 кілометра, але і цього виявилося достатньо. Ще однією великою проблемою стала синхронізація різних ділянок обладнання, щоб отримати розтягувач імпульсу, відповідний до його компресора. Вченим вдалося впоратися і з цим, і у 1985 році Стрікланд і Муру вперше змогли втілити своє теоретичне бачення на практиці.
Технологія CPA, винайдена Стрікланд і Муру, здійснила революцію в галузі лазерної фізики. Вона стала стандартом для всіх пізніших високоінтенсивних лазерів і відкрила дорогу для їх застосування у нових галузях фізики, хімії та медицини.
Зупинити мить
Як же можна використовувати ці ультракороткі імпульси? Однією з ранніх областей застосування було спостереження за тим, що відбувається у мікросвіті атомів і молекул. А там все трапляється настільки швидко, що довгий час наука була в змозі описати тільки стани до і після події, але не сам процес. Але з імпульсами тривалістю фемтосекунду (одна квадрильйонна частка секунди, а квадрильйон – це число з 15 нулями або ж мільйон мільярдів) можна побачити події, які раніше здавалися невловимими.
Висока інтенсивність лазера також робить його світло інструментом для зміни властивостей матерії: електричні ізолятори можуть бути перетворені на провідники, а ультрагострі лазерні промені дозволяють дуже точно розрізати або свердлити отвори в різних матеріалах – навіть у живій речовині!
Наприклад, лазери можуть використовуватися для створення більш ефективних сховищ даних, оскільки дозволяють робити дрібніші насічки на поверхні носія і вміщати більше інформації на меншій площі, а потім успішно зчитувати її. Ця ж технологія застосовується для створення хірургічних стентів – пружних металевих сітчастих конструкцій у формі циліндра, які використовують для розширення і зміцнення кровоносних судин, сечовивідних шляхів та інших каналів всередині організму. Тобто щоб рятувати життя людей і тварин. Вона ж використовується в мікрохірургії ока, коли чутливий орган оперують без зовнішніх пошкоджень.
Неопрацьованих і не до кінця вивчених сфер застосування технології CPA все ще безліч. Кожен наступний крок, зроблений з її допомогою, дозволяє дослідникам бачити нові світи і придумувати оригінальні способи її впровадження як до фундаментальних досліджень, так і у повсякденне життя величезної кількості людей.
Однією з новітніх галузей досліджень, що виникли в останні роки, є аттосекундна фізика. Лазерні імпульси тривалістю менше ста аттосекунд (аттосекунда – це одна квінтильйонна частина секунди, а квінтильйон – це число з 18 нулями або ж мільярд мільярдів) здатні показати вченим насичене життя у світі електронів. А електрони – робочі конячки хімії, які відповідають за оптичні та електричні властивості всіх речовин і за всі хімічні зв'язки. Тепер за допомогою лазерних технологій їх можна не тільки спостерігати, але і контролювати.
До ще більш просунутого світла
Безліч застосувань цих нових лазерних технологій будуть відкриті найближчим часом – електроніка з великою швидкодією, ще ефективніші фотоелементи та каталізатори, більш потужні підсилювачі, нові джерела енергії або дизайнерські (створені під конкретні потреби) ліки. Не дивно, що у сфері лазерної фізики існує жорстка конкуренція.
Донна Стрікланд продовжує свою дослідницьку роботу в Канаді, а Жерар Муру повернувся до Франції та бере участь у європейській ініціативі в галузі лазерних технологій, а також інших проектах. Зокрема, вчений запустив і очолив на ранніх стадіях європейську ініціативу Extreme Light Infrastructure з будівництва надпотужного лазера. Зведення трьох об'єктів в рамках цієї ініціативи у Чехії, Угорщині та Румунії буде завершено найближчими роками. Планова пікова потужність складе 10 петаватт, що еквівалентно неймовірно короткому спалаху ста тисяч мільярдів електричних лампочок.
Споруджувані об'єкти будуть спеціалізуватися в різних галузях: аттосекундні дослідження проводитимуться в Угорщині; в Румунії будуть вестися дослідження в галузі ядерної фізики; а чеський підрозділ займеться дослідженнями високоенергетичних пучків часток. Нові та ще більш потужні об'єкти плануються в Китаї, Японії, США та Росії.
Є цілком конкретні припущення і щодо наступного кроку: десятикратне збільшення потужності споруджуваних лазерів – до 100 петаватт. І на цьому бачення перспективи розвитку лазерної техніки не вичерпується. Як щодо потужності в зеттаватт (мільйон петаватт або стільки ватт, що після одиниці йде 21 нуль)? Або скорочення імпульсу до зептосекунди (такий дріб, де після коми йде 21 нуль). Нові горизонти відкриваються, починаючи з досліджень квантової фізики у вакуумі і закінчуючи виробництвом інтенсивних протонних пучків, які можуть бути використані для прицільного знищення ракових клітин в організмі. Тим не менш, навіть на нинішній стадії розвитку відзначені сьогодні винаходи дозволяють нам розглядати і вивчати мікросвіт та відповідають заповіту Альфреда Нобеля, приносячи найбільшу користь людству.
Немає коментарів:
Дописати коментар