Нобелевскую премию по физике дали за «лазерный пинцет» и «ультракороткие оптические импульсы». А что это такое?

Нобелевскую премию по физике присудили трем исследователям — за достижения в области лазерной оптики. Артуру Ашкину — за «лазерный пинцет», который теперь применяют в биологии. Жерару Муру и Донне Стрикленд — за метод получения ультракоротких оптических импульсов. «Медуза» попросила главного научного сотрудника Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Григория Соколовского объяснить, что это за разработки и почему они так важны.

Оптический пинцет

Оптический пинцет — это устройство для перемещения вещества с помощью света. Иными словами, это устройство, которое захватывает маленькие кусочки вещества при помощи лазерного луча.

Следует понимать, что у маленьких частиц очень большая поверхность по отношению к их очень маленькому объему. Поэтому сила давления света для них очень велика по отношению к их массе. Ашкин в 1970-х годах посчитал, что, если на частицу размером 1 микрон посветить лазером мощностью 1 миливатт, то ускорение, которое создаст давление света, будет огромным — порядка тысячи g (ускорение свободного падения на Земле). Такое ускорение невозможно не заметить! Однако в эксперименте выяснилось, что, кроме давления света, есть еще какая-то сила, которая действует поперек силы давления света и «затаскивает» частицы внутрь лазерного луча. Дело в том, что если частица, попавшая в луч света, хочет из него выйти, то свет начинает преломляться на ней неравномерно. Это значит, что фотоны меняют направление своего движения, то есть меняется их импульс. Когда изменяется импульс, возникает сила. И эта сила затаскивает частицу обратно в луч света. Так Ашкин пришел к идее создания оптического пинцета.

Практические применения его изобретения — просто фантастические. Раньше, когда биологам нужно было исследовать какую-то клетку или создать колонию этих клеток, они брали клетку пинцетом, чтобы отделить ее от остальных. При этом клетку очень легко повредить (точнее — сложно не повредить). Если использовать оптический пинцет Ашкина, клетка не повредится, ведь сила захвата в этом случае невелика и очень хорошо регулируется. Можно предположить, что клетка перегреется под действием света, но этого тоже не будет именно из-за того, что у нее огромная поверхность по отношению к ее объему. Более того, в работах Ашкина было показано, в оптическом пинцете клетки могут даже размножаться.

При помощи оптических пинцетов сделаны совершенно удивительные открытия в области биологии. На микроскопическом уровне они сейчас просто незаменимы. С их помощью, в частности, выяснили, что белки, обеспечивающие внутриклеточный транспорт и сокращение мышц (кинезин и миозин), работают «шагами». Был измерен размер этих шагов и сила, развиваемая этим «моторами». С помощью этих пинцетов даже можно двигать предметы, расположенные за непроницаемой преградой, в случае, если она прозрачна для света. То есть то, что ты не можешь сделать с помощью обычного пинцета, ты можешь сделать с помощью оптического. Благодаря изобретению Ашкина, для того, чтобы проводить операции на клетках даже не обязательно вскрывать саму клеточную оболочку. Можно двигать что-то внутри клетки прямо сквозь эту оболочку. Простор фантазии о том, как его можно использовать и простор реальных уже проведенных с его помощью действий, — безграничен.

В 1997 году Стивен Чу получил Нобелевскую премию за работу по лазерному охлаждению атомов. Так вот это лазерное охлаждение стало возможным, благодаря захвату отдельных атомов оптическим пинцетом Ашкина. Чу, к слову, был начальником Ашкина, и использовал его технику.

Ультракороткие оптические импульсы

При генерации очень коротких и очень мощных импульсов лазерного излучения возникает проблема — как сделать эти импульсы еще мощнее и короче, если их длительность уже очень мала (порядка или короче фемтосекунды — миллиардной доли микросекунды). Так вот идея ученых состоит в том, что нужно растянуть импульс во времени, его «неторопливо» усилить, а потом обратно сжать.

Такие мощные короткие импульсы необходимы для исследований вещества в условиях, которые недостижимы иным способом. Например, для лазерного термоядерного синтеза. Еще лазеры, генерирующие очень короткие сверхмощные импульсы, могут применяться для очистки околоземного пространства от космического мусора, который способен очень серьезно навредить спутникам, космическим станциям и людям в космосе.

Скорость движения мусора огромна (километры в секунду), он повреждает солнечные батареи и даже обшивку спутников. Но благодаря изобретению Муру и Стриклэнд, стало возможным запустить огромный лазер на орбиту и там убирать этот мусор с помощью очень мощных лазерных импульсов. Сейчас этот проект находится в стадии разработки. 

Потому что только благодаря идее того, что усиление коротких лазерных импульсов возможно за счет их растягивании во времени и потом обратного сжатия, стали доступны уровни мощности лазерного луча, которые были принципиально недостижима до этого. Сейчас речь идет о тераваттах и даже петаваттах (то есть миллионнах и миллиардах мегаватт). А это позволяет исследовать вещество в состоянии, которое недостижимо на Земле — можно исследовать процессы, которые могут протекать только внутри звезд. Это способно открыть нам совершенно новые тайны мироздания.

Да, например, лазерная техника, где используются сверхкороткие и сверхмощные импульсы, без этого изобретения невозможна. А вот в быту эти лазерные комплексы не применишь — слишком велика мощность излучения. Но «вживую» встретиться с разработанной Жераром Муру и Донной Стриклэнд техникой усиления лазерных импульсов «обычному человеку» все-таки можно — она используется в лазерах, применяемых в офтальмологии.