Главная » Физика » Нобелевская премия по физике — 2018

Нобелевская премия по физике — 2018

Рис. 1. Лауреаты нобелевской премии по химии 2018 года. Слева направо: Артур Эшкин (Arthur Ashkin), Жерар Муру (Gérard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland)

2 октября Шведская королевская академия наук объявила о присуждении очередной Нобелевской премии по физике — «за революционные изобретения в области лазерной физики» (“for groundbreaking inventions in the field of laser physics”). Новыми лауреатами стали американец Артур Эшкин, француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикленд. Эшкин отмечен за изобретение оптических пинцетов и применение их для изучения биологических систем. Муру и Стрикленд получили премию за разработку метода генерирования сверхкоротких оптических импульсов чрезвычайно высокой интенсивности.

Лауреаты нынешнего года были награждены за работы более чем тридцатилетней давности. Соответственно, все они далеко не молоды. Артуру Эшкину, который до 1992 года возглавлял отдел физической оптики и электроники Лабораторий Белла (Bell Labs), за месяц до присуждения премии исполнилось 96 лет. Он оказался самым старым из обладателей этой награды за всю ее историю и, более того, первым и пока единственным, получившим ее на десятом десятке жизни (за исключением Леонида Гурвича, который в 2007 году, в возрасте 90 лет, стал лауреатом не собственно Нобелевской премии, а премии имени Нобеля по экономике). Кстати, отец Эшкина, Исадор Ашкенази, в царское время перебрался в США из Одессы. Профессору парижской Политехнической школы и заслуженному профессору в отставке Мичиганского университета Жерару Муру 74 года, а его бывшей аспирантке, а ныне младшему профессору (associate professor) канадского Университета Уотерлу Донне Стрикленд в мае следующего года исполнится шестьдесят. Так что достижения всех троих ученых, ныне отмеченные стокгольмским ареопагом, давно превратились в научную классику.

Официальные формулировки заслуг новых лауреатов показывают, что речь идет о прикладных исследованиях с четко выраженной технологической направленностью. Последний раз подобное случилось в 2014 году, когда троих японских ученых наградили за изобретение (опять изобретение!) синих светодиодов. В 2015, 2016 и 2017 годах Нобелевские премии по физике присуждали за фундаментальные исследования.

Премиями 2014 и 2018 годов отмечены работы по физической оптике, в последние десятилетия сильно обогатившие и чистую физику, и технологии. Что до трудов Эшкина, Муру и Стрикленд, то у них есть конкретный общий стержень. Замечательные изобретения этих ученых сильно расширили практическое применение давления света, которое стало возможным благодаря прогрессу квантовых оптических генераторов — лазеров. Именно это их и объединяет.

Гипотеза о существовании светового давления отнюдь не нова — на будущий год ей исполнится полтысячи лет. Впервые она появилась в книге Иоганна Кеплера “De Cometis Libelli Tres”, увидевшей свет в 1619 году. С помощью этой гипотезы Кеплер объяснил, почему хвосты комет направлены не к Солнцу, а в противоположную сторону. В целом его догадка оказалась верной (с тем уточнением, что кометные хвосты формируются и под воздействием солнечного ветра). В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл показал, что существование светового давления (как и давления любого электромагнитного излучения) непосредственно следует из уравнений электродинамики. В 1899–1901 годах формулу Максвелла для величины давления света подтвердили (в прецизионных и очень трудоемких экспериментах!) профессор Московского университета Петр Николаевич Лебедев и американские физики Эрнст Фокс Николс (Ernest Fox Nichols) и Гордон Ферри Халл (Gordon Ferrie Hull).

Давление обычного света чрезвычайно мало. Сила, с которой солнечный свет отталкивает нашу планету, в шестьдесят триллионов раз меньше солнечного притяжения. Не случайно в 1905 году английский физик Джон Генри Пойнтинг (John Henry Poynting) в президентском послании Британскому физическому обществу отметил, что эксперименты по определению величины светового давления продемонстрировали крайнюю малость этого эффекта, «исключающую его из рассмотрения в земных делах». И вплоть до появления лазеров этот вывод оставался совершенно справедливым.

Как известно, лазерный свет обладает такими замечательными свойствами, как исключительная спектральная чистота (то есть возможность генерировать практически идеальное монохроматическое излучение) и высокая пространственная когерентность. Поэтому лазерный луч можно сфокусировать в пятно диаметром лишь немного больше одной длины волны. При мощности лазерного излучателя лишь в несколько ватт можно получить интенсивность излучения, в тысячи раз превышающую общую интенсивность видимого спектра Солнца. Отсюда, в частности, следует, что с его помощью в принципе может разогнать очень мелкие частицы до ускорений, в миллион больших ускорения свободного падения у земной поверхности. И это всего лишь одно из гигантского разнообразия мыслимых приложений.

Артур Эшкин оценил уникальные возможности лазеров практически сразу после их изобретения. С начала 1960-х он провел в Белловских лабораториях множество остроумных экспериментов, результатом которых стало появление световых ловушек, надежно удерживающих мельчайшие объекты различной природы. Эти исследования заняли четверть века — первая статья Эшкина и его сотрудников с описанием оптического пленения диэлектрических частиц величиной от десятков нанометров до десятков микрометров появилась в 1986 году (A. Ashkin et al., 1986. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles). Интересно, что она уместилась на трех журнальных страницах — основополагающие научные работы нередко бывают очень компактными.

Рис. 2. Cхема удержания частицы Ми

Световые ловушки Эшкина со временем назвали оптическими пинцетами (или лазерными пинцетами, optical tweezers, laser tweezers). В последующие годы эта технология сильно усовершенствовалась, и ее возможности значительно расширились. Лазерные пинцеты не только удерживают микро- и нанообъекты, но могут передвигать их, поворачивать и резать на части. Они широко применяются в молекулярной биологии, геномике, вирусологии и много где еще. Важнейшей областью применения оптических пинцетов стало лазерное охлаждение нейтральных атомов до сверхнизких температур. За эти работы бывший сотрудник Эшкина и один из соавторов его знаменитой статьи Стивен Чу (Steven Chu) со своим соотечественником Уильямом Филлипсом (William Daniel Phillips) и французским физиком Клодом Коэн-Таннуджи (Claude Cohen-Tannoudji) стали Нобелевскими лауреатами 1997 года.

Рис. 3. Захват эритроцита в капилляре живой мыши при помощи оптического пинцета

Если Артур Эшкин обязан лауреатством методу манипулирования микрообъектами с помощью лазерного света, то Жерар Муру и Донна Стрикленд, если можно так выразиться, действовали в более серьезном энергетическом масштабе. Они разработали чрезвычайно эффективный способ увеличения мощности лазерных импульсов (см.: В погоне за петаваттами, «Элементы», 10.10.2018). Чтобы его оценить по достоинству, необходимо углубиться в прошлое.

История лазерных технологий началась в мае 1960 года, когда сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes Research Laboratories Теодор Майман (Theodore Maiman) запустил первый лазер на искусственном рубине. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson) — правда, он действовал при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел. В декабре 1960 года исследователи из Белловских Лабораторий Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William Bennett) и Дональд Хэрриот (Donald R. Herriott) продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсюду применяется и сейчас. После этого началась всемирная гонка, целью которой стало создание новых лазеров, которая не закончилась по сей день.

Я уже отметил, что сфокусированный лазерный свет обеспечивает очень высокую интенсивность излучения. В начале 1960-х годов она составляла 1010 ватт/см2, а через десять лет увеличилась на пять порядков. Однако потом рост ее замедлился, и эта тенденция сохранялась вплоть до середины 1980-х. Ситуация радикально изменилась в 1985 году, когда сотрудники Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета Жерар Муру и Донна Стрикленд (тогда они работали в США) опубликовали трехстраничную (история повторяется!) статью с описанием своего метода (D. Strickland, G. Mourou, 1985. Compression of amplified chirped optical pulses). Мощность лазерных импульсов вновь пошла в рост и сейчас достигла уже 1023 ватт/см2.

Суть их метода можно описать буквально тремя предложениями. Ультракороткий лазерный импульс пропускают через пару диффракционных решеток, которые на несколько порядков растягивают его во времени (в своих первых экспериментах Муру и Стрикленд использовали для этого оптоволоконный кабель, но решетки оказались эффективней). В результате пиковая энергия электрических полей лазерного импульса падает настолько, что он проходит через оптический усилитель (для этого обычно используют сапфир, допированный ионами титана), не нарушая его кристаллической структуры. Многократно усиленный импульс пропускают еще через пару диффракционных решеток, и они сжимают его до исходной протяженности. На выходе получается очень короткий импульс чрезвычайно высокой интенсивности (рис. 4). Уже первые эксперименты по применению этого метода привели к созданию пикосекундных лазерных систем тераваттной мощности. Дальнейшее оказалось делом техники — и, конечно, изобретательности.

Рис. 4. Схема усиления чирпированных лазерных импульсов

Область применения ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов чрехзвычайно обширна. Достаточно упомянуть, что она простирается от экспериментов в области фундаментальной физики до хирургического лечения близорукости и астигматизма.

В заключение еще одна любопытная деталь. Донна Стрикленд в своем университете возглавляет группу, запнимающуюся сверхбыстрыми лазерами. В 1997 году она получила должность assistant professor, и за прошедшие годы поднялась лишь на единственную ступеньку в университетской иерархии. Когда 2 октября корреспондент Би-Би-Си спросил ее, почему она не стала полным профессором, новый Нобелевский лауреат ответила: “I never applied.” Такой вот человек!

См. также:
В погоне за петаваттами, «Элементы», 10.10.2018.

Алексей Левин