Научная
деятельность
Университет ИТМО

Нобелевская премия по физике-2018: эксперты о том, как изменят мир награжденные открытия

В Стокгольме завершилась Нобелевская неделя. На этой неделе стало известно, что Нобелевская премия по физике за 2018 год присуждена Артуру Эшкину, Жерару Муру и Донне Стрикланд за новаторские изобретения в области лазерной физики. Как отмечает Нобелевский комитет Шведской королевской академии наук, их открытия произвели революцию в лазерной физике, благодаря чему сегодня «чрезвычайно маленькие объекты и невероятно быстрые процессы можно наблюдать в новом свете». Вместе с учеными Университета ИТМО объясняем суть предложенных учеными методов и то, какие возможности они уже открыли и еще могут открыть в будущем.

Традиционно Нобелевские лауреаты выбираются Нобелевским комитетом по физике, который состоит из пяти членов, избираемых Шведской королевской академией наук. На первом этапе несколько тысяч людей предлагают кандидатов. Эти имена изучаются и обсуждаются экспертами до окончательного выбора. Всего на Нобелевскую премию по физике можно выбрать не более трех лауреатов.

Примечательно, что имена номинаторов не объявляются публично в течение пятидесяти лет, и также не сообщаются номинантам. Списки номинантов и представивших их номинаторов хранятся в запечатанном виде в течение полувека. Однако накануне Нобелевской недели некоторые аналитические компании публикуют собственные прогнозы, в которых объявляют наиболее вероятных, на их взгляд, кандидатов на Нобелевскую премию.

Например, в середине сентября традиционный прогноз опубликовала Clarivate Analytics. В список Citation Laureates, который компания составляет с 2002 года, попали 17 самых цитируемых в своих областях ученых, сделавших масштабный вклад в науку. В качестве вероятных кандидатов на Нобелевскую премию 2018 года по физике Clarivate Analytics называла:

Дэвида Авшалома из Чикагского университета (США) и Артура Госсарда из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) за наблюдение спинового эффекта Холла в полупроводниках;

Сандру Фабер из Калифорнийского университета в Санта-Крус (США), которая разработала методы определения возраста, размера галактик и расстояния до них;

Юрия Гогоци из университета Дрекселя (США), Родни Руоффа из Национального института науки и технологий Ульсана (Южная Корея) и Патриса Симона из университета Поля Сабатье (Франция), которые получили выдающиеся результаты в области получения углеродных материалов и суперконденсаторов.

Объявление лауреатов Нобелевской премии по физике 2018 года состоялось 2 октября в Стокгольме. Награда была присуждена трем физикам — американскому ученому Артуру Эшкину (Arthur Ashkin), а также французскому и канадскому исследователю Жерару Муру (Gerard Mourou) и Донне Стрикланд (Donna Strickland). Донна Стрикланд стала третьей женщиной в истории, получившей Нобелевскую премию по физике.

«Отмеченные в этом году открытия произвели революцию в лазерной физике. Чрезвычайно маленькие объекты и невероятно быстрые процессы теперь можно наблюдать в новом свете. Превосходные прецизионные инструменты открывают неизведанные области исследований и множество промышленных и медицинских применений», — отмечается в официальном пресс-релизе Нобелевского комитета Шведской королевской академии наук.

Оптические пинцеты: какие возможности они открыли (и еще откроют) для биомедицины

Артур Эшкин с оптическим пинцетом. Автор: Дмитрий Лисовский
Артур Эшкин с оптическим пинцетом. Автор: Дмитрий Лисовский

Артур Эшкин получит половину награды «за оптические пинцеты и их применение в биологических системах».

Артур Эшкин — американский физик, пионер в области создания оптических ловушек, автор 47 патентов. Он также известен исследованиями в областях фоторефракции, генерации второй гармоники и нелинейной оптики в волокнах.

Ученый изобрел оптические пинцеты, с помощью которых можно манипулировать частицами, атомами, вирусами, а также другими живыми клетками посредством лазерного света. Этот инструмент позволил Эшкину реализовать его давнюю научно-фантастическую мечту — использовать давление излучения для передвижения физических объектов. Ученый смог подталкивать маленькие частицы при помощи лазерного света к центру луча и удерживать их там. Так он изобрел оптический пинцет. В 1987 году Эшкин использовал пинцет для удержания живых бактерий без причинения им вреда. Он сразу же начал изучать биологические системы. Сегодня оптические пинцеты используют повсеместно для изучения механизмов жизни.

Подробнее о том, какие возможности дало открытие нобелевского лауреата, рассказывает Александр Шалин, руководитель Международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО.         

Александр Шалин
Александр Шалин
                                

Предпринимались ли попытки использовать лазерное излучение для манипуляции микрочастицами до Артура Эшкина?

Вообще говоря, такие попытки предпринимались и ранее. К примеру, советскими учеными Аскарьяном и Морозом еще в 1962 году была опубликована работа в Журнале экспериментальной и теоретической физики о перемещении частиц при помощи лазерного пучка. При этом использовался другой механизм – испарение части материала частицы, вызывавшее ее реактивное ускорение, оказавшее, тем не менее, существенно выше, нежели при использовании оптического давления. Однако такой и подобные способы являлись разрушающими, в то время как применение исключительно оптических сил позволило создать неразрушающий манипулятор.

Каков принцип работы оптического пинцета?

В области перетяжки лазерного пучка интенсивность излучения максимальна, а градиентная оптическая сила действует как раз по направлению к бОльшей интенсивности. Соответственно, частица, попадая в перетяжку пучка, оказывается в ловушке, и перемещение пучка вызывает перемещение частицы. Конечно, в определенных условиях, например, когда поляризуемость частицы отрицательна, частица может, наоборот, выталкиваться из пучка, но данные условия довольно сложно реализовать, поэтому в большинстве практических применений реализуется именно первый сценарий.

Какие возможности для практического применения дало это открытие? И какие еще может дать в перспективе?

Создание оптического пинцета привело к революции в области микротехнологий. Стало возможным неразрушающим методом перемещать малые объекты, соединять их, образовывать структуры. Сейчас оптические пинцеты очень широко используются, например, в физике для манипулирования микро- и наночастицами, атомами и молекулами и выстраивания структур на поверхности и в объеме при помощи так называемых голографических пинцетов, способных захватывать сразу множество частиц. В биологии и медицине это один из немногих методов манипуляции, позволяющий реализовать неразрушающий захват, перемещение и исследование клеток вирусов и так далее.

Сложно переоценить перспективы развития оптических пинцетов, особенно ввиду тенденции к миниатюризации устройств. Полагаю, в ближайшем будущем станет возможным широко использовать их для селективного инициирования химических реакций в микроканалах, в терапевтических целях, например, для очистки крови, производства искусственных материалов и так далее.

Новая техника сверхмощных лазерных импульсов: от лазерной коррекции зрения до целого ряда перспективных систем в различных областях физики 

Жерар Муру, Донна Стрикланд и сверхмощный лазерный импульс. Автор: Дмитрий Лисовский
Жерар Муру, Донна Стрикланд и сверхмощный лазерный импульс. Автор: Дмитрий Лисовский

Другую половину Нобелевской премии 2018 года по физике вручат профессорам Муру и Стрикланд — «за разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов». Жерар Муру и Донна Стрикланд — французский и канадский физики. В 1985 году они предложили новую технику сверхмощных лазерных импульсов — усиление чирпированных импульсов.

Ученым впервые удалось создать источник ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности без уничтожения рабочей среды лазера. До их исследований значительное усиление короткоимпульсных лазеров было невозможно: однократный проход импульса через усилитель приводил к разрушению системы из-за слишком большой интенсивности. Усиление чирпированных импульсов (Chirped Pulse Amplification, CPA) позволило добиться создания работоспособных фемтосекундных лазеров заметной мощности. На их основе сегодня создан ряд перспективных систем как в электронике, так и в лабораторных установках, важных для целого ряда областей физики. При этом они постоянно находят себе новые, часто неожиданные области практического применения.

О том, какие возможности открыла работа Жерара Муру и Донны Стрикланд, рассказывает Эдуард Агеев, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО:

Как можно описать принцип работы предложенного метода?

Прежде всего, речь идет об усилении лазерного импульса, то есть увеличении его энергии. Так как мы имеем дело со сверхкоротким импульсом (фемтосекундная длительность), то его «прямое» усиление (например, за счет увеличения числа проходов в резонаторе) приведет к повреждению оптических элементов, а также к возникновению нелинейных эффектов (самофокусировка, пробой), что препятствует росту усиления. Поэтому перед усилением импульс «растягивается» во времени, а после усиления — сжимается». «Растягивание» и «сжатие» реализуется за счет системы из двух дифракционных решеток.

Нобелевские лауреаты по физике, 2018 год
Нобелевские лауреаты по физике, 2018 год

Какие перспективы для практического применения открыл метод Муру и Стрикланд?

Среди конкретных практических применений можно выделить следующие:

1) Генерация высших гармоник. Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с атомами инертных газов позволяет генерировать высшие гармоники основной частоты, вплоть до областей вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена. Излучение такого спектрального диапазона используется в современной фотолитографии.

2) Офтальмологические операции (лазерная коррекция зрения, так называемый фемто-LASIC).

3) Оптическая томография и микроскопия, исследования в области нелинейной квантовой электродинамики (в том числе и релятивистское взаимодействие излучения с веществом).

4) Генерация суперконтинуума (так называемый белый лазер).

5) Прецизионная (микро-  и нано-) обработка материалов.

Все эти применения продолжают активно развиваться и в настоящее время.

Разбор полетов по Нобелевской премии по физике этого года смотрите также в видео от физико-технического факультета Университета ИТМО. На вопросы отвечает Сергей Макаров, старший научный сотрудник факультета.

Нобелевская премия по физике — одна из пяти Нобелевских премий, созданных по воле Альфреда Нобеля в 1895 году. Награда вручается с 1901 года. Первая Нобелевская премия по физике была присуждена немецкому физику Вильгельму Конраду Рентгену «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь».

Эта награда находится в ведении Нобелевского фонда и по праву считается самой престижной наградой, которую может получить физик. Правила Нобелевской премии по физике требуют, чтобы значение достижения было «проверено временем». На практике это означает, что разрыв между открытием и премией, как правило, порядка 20 лет, а иногда и больше.

Церемония награждения лауреатов пройдет по традиции 10 декабря, в день смерти основателя Нобелевских премий — шведского изобретателя Альфреда Нобеля (1833-1896). Четыре из пяти завещанных им премий обычно вручают в Стокгольме. Премия мира, согласно воле ее основателя, вручается в Осло, также 10 декабря. Сумма каждой из Нобелевских премий в 2018 году составляет девять миллионов шведских крон (более миллиона долларов).