Нобелевскую премию по физике за 2018 год получат Артур Ашкин, Жерар Муру и Донна Стрикленд «за новаторские изобретения в области лазерной физики».

В этом году Нобелевской премии удостоены два открытия, которые революционно расширили границы современной физики лазеров. Благодаря им лазеры научились работать со сверхмалыми объектами и сверхбыстрыми процессами, развивая феноменальную мощность. В результате не только физика, но и химия, биология и медицина получили точнейшие инструменты для использования в фундаментальных исследованиях, промышленности и медицине.

Изобретатель оптических пинцетов Артур Ашкин

Один из создателей метода CPA Жерар Муру (фото en.wikipedia.org)

Донна Стрикленд около своей лазерной установки

Схема метода СРА. 1. Исходный импульс. 2. Растяжение импульса. 3. Усиление импульса. 4. Сжатие импульса (Рис. Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Половину премии получит американский физик Артур Ашкин (Arthur Ashkin) с формулировкой «за оптические пинцеты и их применение в биологических системах».

Оптический пинцет, который также называют лазерным пинцетом, представляет собой инструмент, позволяющий захватывать и с огромной точностью манипулировать микроскопическими объектами с помощью лучей лазера. Чуткие лазерные «пальцы» способны оперировать не только с частицами, атомами и молекулами, но и с вирусами, бактериями и даже живыми клетками, не повреждая их. Оптические пинцеты Ашкина создали совершенно уникальные новые возможности для наблюдения и управления механизмами жизни. Оптические пинцеты позволяют также измерять расстояния и силы на наноуровне, собирать из микрочастиц объемные структуры. В последние годы с их помощью исследуют структуру и работу белков, свойства спирали ДНК, микропотоки частиц в клетках и многое другое.

Ашкин начал экспериментировать с лазером в Bell Laboratories сразу же после его изобретения в 1960 году. Он хотел использовать радиационное давление света для перемещения физических объектов и понял, что лазер будет идеальным инструментом для этого. Освещая прозрачные сферы микрометрового размера, Ашкин обнаружил, что свет лазера не просто толкает их. Он также смещает частицы к центру луча и удерживает их там. Так и были изобретены оптические пинцеты.

Но важнейший прорыв в исследованиях произошел в 1987 году, когда Ашкин сумел оптическим пинцетом захватить живые бактерии, не причинив им вреда. В результате он переключился на изучение биологических систем, что и принесло ему нобелевскую премию, а оптические пинцеты теперь широко используются для биологических и медицинских исследований.

Вторую половину Нобелевской премии поделили француз Жерар Муру (Gérard Mourou) и канадка Донна Стрикланд (Donna Strickland) с формулировкой «за их метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».

Открытие Муру и Стрикланд позволило генерировать самые короткие и наиболее интенсивные лазерные импульсы. Это дало возможность изучать сверхбыстрые явления, протекающие в атомах, молекулах, твердых телах и биологических объектах, которые ранее казались мгновенными. Именно благодаря этому открытию в последние годы возникла такая новая область исследований как аттосекундная физика. Лазерные импульсы короче ста аттосекунд (одна аттосекунда – 10^-18 с – миллиардная часть миллиардной доли секунды) показывают драматический мир электронов, служащих рабочими лошадками химии. Они отвечают за химические связи, оптические и электрические свойства вещества. Теперь же они не только наблюдаются, но и контролируются. С помощью аттосекундной камеры можно наблюдать даже движение электронов вокруг атомного ядра.

С другой стороны, высокая интенсивность излучения делает лазер великолепным инструментом для изменения свойств вещества, так электрические изоляторы могут быть преобразованы в проводники, а ультра-острые лазерные лучи позволяют очень точно разрезать или просверлить различные материалы, даже живые ткани. Каждый год в мире происходят миллионы корректирующих глазных операций, использующих самый острый лазерный «скальпель».

Как говорят сами лауреаты, идея метода пришла к ним из научно-популярной статьи, в которой описывался радар. Однако перенос этой идеи с радиоволн на значительно более короткие световые волны был трудным, как в теории, так и на практике. Их основополагающая статья была опубликована в 1985 году и стала не только первой научной публикацией Донны Стрикленд но и основой её докторской диссертации.

Проблема получения сверхкоротких лазерных импульсов высокой интенсивности заключается в разрушении под их воздействием материала лазера. Новая технология Муру и Стрикланд, известная как «усиление чирпированных импульсов» (Chirped pulse amplification, CPA), решила её. Идея CPA была простой и изящной, хотя и сложно реализуемой технически: вместо непосредственного усиления светового импульса до большой интенсивности его сначала растягивают во времени, уменьшая пиковую мощность. После этого импульс можно спокойно усилить без повреждения материала. Затем импульс сжимается во времени и становится короче. Это означает, что вся энергия импульса «упаковывается» в малый интервал времени и интенсивность импульса резко возрастает. «Чирпированность» представляет собой особую модуляцию (преобразование) сигнала, приводящую к изменению его частоты со временем. Она необходима для реализации механизма преобразований. Технология CPA быстро стала стандартной для последующих высокоинтенсивных лазеров.

Церемония вручения Нобелевской премии пройдет 10 декабря в Стокгольме. Её размер в 2018 году составит девять миллионов шведских крон, что чуть более одного миллиона долларов. Половину суммы получит Ашкин, Моуру и Стрикленд достанется по четверти приза.

По материалам нобелевского комитета