Що таке лазерний пінцет? Пояснюємо відкриття лауреатів Нобеля в 100 і 500 словах

Нобелівську премію з фізики отримали американець Артур Ашкін, француз Жерар Мору і канадка Донна Стрікленд - за свої відкриття, які, як було заявлено на церемонії, здійснили революцію в лазерній фізиці.

96-річного Ашкіна відзначили премією за розроблену ним технологію оптичного пінцета, яку члени Нобелівського комітету назвали давньою мрією письменників-фантастів.

Жерар Мору і Донна Стрікленд, що стала третьою жінкою-лауреатом в історії цієї найвищої нагороди наукового світу, відкрили спосіб отримання коротких лазерних імпульсів високої інтенсивності, які, зокрема, зробили можливими лазерні операції з коригування зору.

BBC коротко (в 100 словах) і трохи докладніше (в 500 словах) пояснює, в чому суть цих революційних відкриттів.

Історія в 100 словах

"Мрія письменників-фантастів"

Опис методу лазерного пінцета і справді більше схожий на розповідь про технології майбутнього з науково-фантастичного роману.

Він дозволяє використовувати лазерні промені, тобто потоки поляризованого і вузькоспрямованого світла, як мікроскопічні щипці, які можуть захоплювати фізичні об'єкти розміром всього декілька мікронів і маніпулювати ними.

Не дивно, що ця технологія знайшла найширше застосування в вивченні структури й принципу роботи білків, молекули яких настільки малі, що їх не можна роздивитись навіть в кращий оптичний мікроскоп.

Оптичним пінцетом можна також захоплювати живі клітини, віруси та навіть окремі атоми.

Другу технологію, яка використовується в лазерній хірургії, Стрікленд і Мору запропонували ще у 1985 році й вона отримала назву "посилення чірпірованних імпульсів" (CPA). Вона дозволяє значно збільшувати потужність лазерного променя.

Історія в 500 словах

Мрія і реальність

Артур Ашкін ще студентом мріяв про створення світлової пастки, яка утримувала б фізичні об'єкти за допомогою тиску потоку випромінювання.

Після довгих експериментів у 1987 році йому, нарешті, вдалося створити оптичний пінцет, який дозволяє захоплювати й розглядати мікроскопічні частинки, атоми, віруси, бактерії та інші живі клітини, не пошкоджуючи їх.

Лазерні вусики пінцета можуть повертати об'єкти, стискати їх або розтягувати, а при необхідності - розрізати на частини. Для біофізиків цей інструмент просто відкрив нові горизонти, оскільки він дав можливість вивчати білки, молекулярні двигуни, ДНК і внутрішнє життя клітини в цілому.

За свої роботи Ашкін відзначений цілою низкою престижних наукових премій, в тому числі й вищої американської нагороди - премії Національної академії наук. Однак до 96 років він так і не став нобелівським лауреатом, хоча ще в 1997 році премія була присуджена за розробку методів охолодження і утримування атомів за допомогою світла лазера.

Серед трьох лауреатів премії тоді виявився його колега Стівен Чу, а сам Ашкін пізніше зізнавався, що відчував немов увага Нобелівського комітету незаслужено оминула його, оскільки, за його словами, йому довелося вчити Чу, як робити світлові пастки.

Тепер американський професор нарешті отримав довгоочікувану нагороду - проте виявився настільки зайнятий написанням чергової наукової статті, що навіть не зміг поспілкуватися з журналістами після оголошення лауреатів.

"Заточка лазера"

Ашкіну дістанеться половина премії. Другу половину розділять між собою Донна Стрікленд і Жерар Мору, завдяки яким стали можливими лазерні операції з коригування зору.

Однак це лише одне із застосувань винайденої ними технології CPA, яка дозволяє з неймовірною точністю робити розрізи або свердлити отвори в самих різних матеріалах, включаючи і живі тканини.

Для цього лазерний промінь спочатку розтягують, потім посилюють, після чого знову стискають. Отриманий в результаті потужний ультракороткий світловий імпульс вимірюється фемтосекундами - тобто квадрильйонними частками секунди. Для порівняння, навіть світло за цей час проходить відстань менше мікрометра, що можна порівняти з діаметром вірусу.

До цього відкриття потужність лазерів була досить обмежена: промінь високої інтенсивності просто руйнував матеріал, який використовувався для посилення його енергії.

Твіт Нобелівського комітету порівнює наносекундний лазер з фемтосекундним. Чорним кольором позначена зона нагріву, а білими дугами показана сила хвилі, викликаної ударом пучка світла.

Тепер саме так отримують імпульси максимальної потужності в фізичних лабораторіях по всьому світу. Спектр їх застосування дуже широкий: наприклад, такі промені використовують для лазерної терапії раку.

Автор цієї технології Донна Стрікленд стала першою жінкою-лауреатом Нобеля з фізики за 55 років і третьою за всю 118-річну історію нагороди. У 1903 році половину премії розділила з чоловіком Марія Кюрі; у 1963 році Марія Гепперт-Майер отримала чверть нагороди.

Першу наукову статтю, яка лягла в основу відкриття, канадка Стрікленд написала ще у 1985 році, працюючи в докторантурі Рочестерського університету в США. Професор Жерар Мору, що розділив з нею Нобелівську премію, був її науковим керівником.

Хочете отримувати головні новини у месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram.