Лазерный мир

Нобелевская премия по физике 2018 года присуждена Артуру Эшкину (Arthur Ashkin) за оптический пинцет и его применение в области биологии, Жерару Муру (Gerard Mourou) и Донне Стрикленд (Donna Strickland) за разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. Прямая трансляция объявления победителя ведется на сайте Нобелевского комитета.

Оптический пинцет (optical tweezer) позволяет захватывать и перемещать микроскопические объекты — например, атомы или живые клетки — с помощью лазерного пучка специальной формы. Когда микрочастица попадет в электрическое поле лазерного пучка, ее заряд перераспределяется по объему, и в ней наводится электрический дипольный момент. С другой стороны, энергия диполя, помещенного в электрическое поле, зависит от его ориентации — следовательно, в попытке уменьшить эту энергию микрочастица будет поворачиваться и «ползти» вдоль градиента поля. Получается, будто на частицу со стороны лазера действует эффективная градиентная сила. Если же сфокусировать лазер таким образом, чтобы его профиль напоминал распределение Гаусса, градиент электрического поля будет направлен в одну точку, и в результате частица окажется захвачена лазерным пучком.

Схема работы оптического пинцета: на частицу, попавшую в поле лазерного пучка, действует градиентная сила

Впервые градиентные силы были экспериментально открыты в 1970 году Артуром Эшкиным, работавшим на тот момент в Bell Labs. 16 лет спустя, в 1986 году, физик построил первый полноценный оптический пинцет, способный захватывать и перемещать микроскопические частицы. Еще через год Эшкин показал, что разработанную им технологию можно применить для изучения биологических объектов, захватив в оптическую ловушку вирусы табачной мозаики и бактерию Escherichia coli.

«Этот метод активно используется в биологии — если вы подобрали длину волны так, что частица его не поглощает. Например, вы можете перемещать живую клетку куда вам нужно, причем клетка не разрушается, остается целой и жизнеспособной. И ее можно разместить там где вам нужно с точностью до нескольких сотен нанометров — в зависимости от длины волны лазера», — сказал N+1 Дмитрий Чубич, сотрудник лаборатории 3d-печати функциональных микроструктур МФТИ.

С тех пор оптические пинцеты активно применяются для исследования процессов, протекающих в живых организмах. В частности, с их помощью биофизики измерили вязкоупругие свойства биополимеров и научились собирать искусственные клетки в упорядоченные структуры. Кроме того, ученые часто используют оптические пинцеты, чтобы управлять отдельными атомами — например, в марте этого года австралийские физики измерили с точностью до сотых долей аттоньютона силу, действующую на отдельный атом, а в апреле американские исследователи впервые провели химическую реакцию между отдельными атомами щелочных металлов. Более того, оптические пинцеты имеют очевидные практические применения — в январе этого года американские инженеры получили с помощью этой технологии цветное трехмерное изображение, напоминающее голограммы из научно-фантастических фильмов.

Жерар Муру и Донна Стрикленд (она стала третьей женщиной в истории, получившей Нобелевскую премию по физике после Марии Кюри и Марии Гёпперт-Майер) отмечены за метод получения ультракоротких оптических импульсов, которые сегодня используются в самых разных областях — например, для изучения очень быстрых процессов, для модификации поверхностей.

Усиление чирпированных импульсов

«Мы применяем их, как правило, для структурирования поверхностей. Если импульс длиться долго, то первый фронт импульса запускает отклик в веществе, а следующие за ним могут этот отклик нивелировать. Здесь же все происходит настолько мгновенно, что он ударил, и в веществе появился отклик, наиболее чистый с физической точки зрения. С его помощью мы получаем различные плазмонные структуры на поверхности вещества. Эти структуры могут работать как антенны, то есть преобразовывать излучение на этих структурах. В частности, это используется для усиления сигналов фотолюминесценции, сигналов комбинационного рассеивания света, для сверхчувствительного химического анализа, для создания метаматериалов, супергидрофобных поверхностей», — пояснил N+1 сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Олег Витрик.

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/10/02/nobel-physics-2018