В Стокгольме 2 октября были озвучены имена лауреатов Нобелевской премии по физике. В этом году престижная награда будет вручена «за прорывные открытия в области лазерной физики».

Причем одну половину премии получит ученый из США Артур Эшкин – «за оптические пинцеты и их применение в области биологии», а вторую – французский физик Жерар Муру и Донна Стрикленд из Канады – «за разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».

Значение сделанных лауреатами Нобелевской премии 2018 года открытий объяснили ученые Казанского федерального университета, которые занимаются исследованиями в этой области физики.

Оптический пинцет – инструмент для нанотехнологий

Сергей Харинцев, доцент Института физики КФУ:

"Оптический пинцет позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света. Артур Эшкин впервые продемонстрировал возможности оптического пинцета (или ловушки) на основе инфракрасного лазера захватывать, удерживать и перемещать в пространстве различные биологические объекты, такие как вирусные частицы, одиночные бактериальные и дрожжевые клетки и органеллы в живых клетках водорослей. Захваченные в оптическую ловушку клетки продолжали делиться, что свидетельствовало об отсутствии повреждающего воздействия инфракрасного лазерного излучения на биологические объекты. Принцип работы лазерного пинцета состоит в том, что оптически прозрачные микрочастицы, имеющие размеры больше длины волны падающего света (например, полистирольные и латексные шарики диаметром около 1 мкм, живые клетки), одновременно отражают и преломляют свет лазера, что приводит, согласно второму закону Ньютона, к возникновению сил отталкивания частиц в направлении от источника света и одновременно сил, возвращающих частицу в исходное положение. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы уравновешиваются и частица попадает в ловушку. Ее смещение от этого положения вызывает появление дополнительной силы, возвращающей частицу обратно. Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом.

Открытие Эшкина легло в основу развития целого направления оптической манипуляции микрообъектами и разработку новых видов оптических ловушек. В современных оптических ловушках и пинцетах используется один или несколько лазеров и акустооптические преобразователи, позволяющие создавать стационарные и подвижные ловушки и работать с несколькими объектами сразу. С помощью таких приборов стало возможным измерить силу, развиваемую одиночными молекулами молекулярных моторов, таких как миозин и кинезин, а также элементарные шаги, которые делают эти молекулы при двигательном акте. Благодаря способности манипулировать субмикроскопическими объектами вплоть до атомов и измерять пиконьютонные силы и нанометровые перемещения, оптический пинцет рассматривается как один из важнейших инструментов для нанотехнологий".

Излучение с уникальными свойствами

Жерару Муру и Донне Стрикленд впервые удалось создать источник ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности без уничтожения рабочей среды лазера в 1985 году. До их исследований значительное усиление короткоимпульсных лазеров было невозможно: однократный проход импульса через усилитель приводил к разрушению системы из-за слишком большой интенсивности.

Алексей Низамутдинов, доцент Института физики КФУ:

"Техника чирпирования импульса лежит в глобальном тренде науки и техники, заключающемся в концентрации энергии во времени и пространстве и использовании твердотельных активных лазерных  сред. Изобретение Муру и Стрикленд действительно сняло ограничения для лазерных генераторов коротких импульсов и явилось фундаментом для множества прикладных исследований, а также новейших технологий. Наиболее «практическими» являются методики и технологии прецизионной обработки материалов. Для медицины это новый тип скальпеля, который наносит минимальный вред ткани, что обеспечивает наиболее безболезненное и быстрое заживление. Для материаловедения это инструмент для создания материалов и структур с уникальными свойствами.

С точки зрения будущего, это один из инструментов исследования возможности управляемого термоядерного синтеза. Но я назвал далеко не все сферы применения излучения, обладающего уникальными свойствами: чрезвычайно широким спектром, высокой концентрацией энергии во времени.

В Лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники Института физики КФУ  выращивают кристаллы, являющиеся активными средами для усилителей лазерных импульсов ультракороткой длительности. Одно из соединений (кристалл, способный усиливать свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн) было открыто в стенах Казанского федерального университета. Эта активная среда впоследствии была исследована сотрудниками лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники совместно с учеными института RIKEN (Япония) в режиме усиления коротких импульсов. Выращиваемые в КФУ кристаллы позволяют сделать следующий шаг в технологии: укоротить длину волны излучения. Так можно  увеличить энергию воздействия и расширить  область применения. Например, повышению характеристик этих кристаллов, Ce:LiCaAlF6, посвящен действующий грант фонда РФФИ "Мой первый грант" под руководством младшего научного сотрудника Алексея Шавельева.