Нобелевский лауреат по физике 2018: Нобелевская премия по физике — 2018 • Алексей Левин • Новости науки на «Элементах» • Нобелевские премии, Физика |

Содержание

Нобелевская премия по физике — 2018 • Алексей Левин • Новости науки на «Элементах» • Нобелевские премии, Физика

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.

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.

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 дифракционных 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 дифракционных 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.

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

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2018 года

Эшкин Артур

Лауреат Нобелевской премии по физике, американский ученый Артур Эшкин (Arthur Ashkin) родился 2 сентября 1922 года в Нью-Йорке (США).

В 1942-1946 годах работал в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института (Massachusetts Insititute of Technology Radiation Laboratory).

В 1947 году Эшкин получил степень бакалавра в Колумбийском университете, в 1952 году — степень доктора философии в Корнеллском университете.

В 1952-1992 годах работал в компании Bell Telephone Laboratories, где в 1963-1987 годах возглавлял отдел лазерной оптики.

Эшкин исследовал микроволны, нелинейную оптику и лазерное улавливание.

Он занимался изучением давления света на микрообъекты. Ученым был описан феномен удержания микроскопических частиц в луче (оптический пинцет).

В дальнейшем Эшкин и его коллеги продемонстрировали возможности оптической 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.

Эшкин является автором 47 патентов. Ученый также известен исследованиями в областях фоторефракции, генерации второй гармоники и нелинейной оптики в волокнах.

Член Национальной академии инженерии (1984).

Член Американской национальной академии наук (1996).

В 2004 году физик был удостоен Премии Харви.

Среди его наград — Премия по квантовой электронике IEEE, Премия Таунса, медаль Фредерика Айвса.

В 2009 году за его новаторскую работу по оптическому захвату и разработке оптических пинцетов он был назначен почетным членом Оптического общества.

2 октября 2018 года Донне Стрикланд, Артуру Эшкину и Жерару Муру была присуждена Нобелевская премия по физике за 2018 год за новаторские изобретения в области лазерной физики. В частности Эшкин получил награду за изобретение оптической ловушки и ее применение в биологических системах.

Стрикланд Донна

Лауреат Нобелевской премии по физике, канадский ученый Донна Стрикланд (Donna Strickland) родилась в 1959 году в городе Гуэлф (провинция Онтарио, Канада).

В 1981 году получила степень инженера в Университете МакМастера (Гамильтон, провинция Онтарио, Канада).

В 1985 году Донна Стрикланд вместе с французским ученым Жераром Муру предложили новую технику сверхмощных лазерных импульсов — усиление чирпированных импульсов. Их статья на эту тему стала революционной по тем временам и послужила основой для докторской диссертации Стрикланд. В 1989 году она получила докторскую степень в Рочестерском университете (Рочестер, штат Нью-Йорк, США).

В 1988-1991 году Стрикланд была научным сотрудником Национального исследовательского совета Канады. Затем работала в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory).

С 1992 года работала в Принстонском технологическом центре фотоники и оптоэлектронных материалов (Princeton’s Advanced Technology Center for Photonics and Opto-electronic Materials).

С 1997 года — старший преподаватель физического факультета Университета Уотерлу (Уотерлу, провинция Онтарио, Канада), с 2002 года — ассоциированный профессор, с 2007 — заведующая кафедрой.

Донна Стрикланд разрабатывает высокоинтенсивные лазерные системы для исследований нелинейной оптики.

Стрикланд в разные годы работала в нескольких комитетах Оптического общества (The Optical Society, OSA).

В 2005-2007 годах — директор по общим вопросам Совета директоров OSA, в 2006-2007 годах — член Исполнительного комитета.

В 2008-2011 годах — представитель OSA в Совете Международной комиссии по оптике (ICO).

В 2011 году — вице-президент, в 2013 году — президент OSA, в 2014 году — член совета директоров OSA.

В 2004-2010 годах — главный редактор Optics Letters.

2 октября 2018 года Донне Стрикланд, Артуру Эшкину и Жерару Муру была присуждена Нобелевская премия по физике за 2018 год за новаторские изобретения в области лазерной физики.

Муру Жерар

Лауреат Нобелевской премии по физике, французский ученый Жерар Муру (Gérard Mourou) родился 22 июня 1944 года в Альбервиле (Франция).

В 1967 году окончил Университет Гренобля во Франции. В 1973 году получил докторскую степень по физике в Парижском университете.

Муру некоторое время проработал в Канаде в Университете Лаваля, затем — в Университете Калифорнии.

Вернувшись во Францию, организовал в Париже в Лаборатории прикладной оптики Национальной высшей школы передовых технологий научную группу, занимавшуюся сверхбыстрыми процессами.

В 1977 году уехал в США в Рочестерский университет. Там он получил должность старшего научного сотрудника в Институте оптики. В 1988 году Муру получил должность профессора в Мичиганском университете, где основал и долгое время руководил Лабораторией сверхбыстрой оптики.

В 1985 году он вместе с Донной Стрикланд предложил новую технику сверхмощных лазерных импульсов — усиление чирпированных импульсов.

Основные работы Жерара Муру связаны с разработкой лазерных систем, генерирующих сверхкороткие импульсы.

В настоящее время Жерар Муру является директором Лаборатории прикладной оптики в Национальной высшей школы передовых технологий (Франция).

В 2010 году по программе грантов правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских вузах, Жерар Муру был приглашен на работу в Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. На средства выигранного мегагранта в Университете Лобачевского была создана лаборатория экстремальных световых полей.

Иностранный член Российской Академии наук (секция общей физики и астрономии).

Член Оптического общества США (The Optical Society, OSA).

Почетный профессор электрической инженерии, компьютерных наук и прикладной физики в Мичиганском университете.

Награжден премиями по квантовой электронике IEEE (2004), Уиллиса Лэмба (2005), Таунса (2009), медалью Фредерика Айвса (2016) и др.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

Нобелевская премия по физике 2018 г. — Научно-популярный фон: Инструменты из света

Артур Эшкин
Жерар Муру
Донна Стрикленд

Научно-популярный фон:

Инструменты из света (pdf)

Информация о Populärvetenskaplig:

Med ljus som verktyg (pdf)

Инструменты из света

Награжденные в этом году изобретения произвели революцию в лазерной физике. Чрезвычайно маленькие объекты и невероятно быстрые процессы теперь предстают в новом свете. Не только физика, но и химия, биология и медицина получили точные инструменты для использования в фундаментальных исследованиях и практических приложениях.

Артур Ашкин изобрел оптический пинцет, который захватывает частицы, атомы и молекулы своими лазерными лучами. Вирусы, бактерии и другие живые клетки также можно удерживать, исследовать и манипулировать ими, не повреждая их. Оптический пинцет Ашкина создал совершенно новые возможности для наблюдения и управления механизмами жизни.

Жерар Муру и Донна Стриклэнд проложили путь к созданию самых коротких и интенсивных лазерных импульсов, созданных человечеством. Разработанная ими техника открыла новые области исследований и привела к широкому промышленному и медицинскому применению; например, ежегодно проводятся миллионы операций на глазах с помощью самых острых лазерных лучей

Путешествие в лучах света

Артуру Ашкину приснился сон: представьте, если бы лучи света можно было заставить работать и перемещать предметы. В культовом сериале «Звездный путь», который начался в середине 1960-х годов, притягивающий луч можно использовать для извлечения объектов, даже астероидов в космосе, не касаясь их. Конечно, это звучит как чистая научная фантастика. Мы можем чувствовать, что солнечные лучи несут энергию — нам становится жарко на солнце — хотя давление луча слишком мало, чтобы мы могли почувствовать даже крошечный толчок. Но может ли его силы быть достаточно, чтобы толкать мельчайшие частицы и атомы?

Сразу после изобретения первого лазера в 1960 году Ашкин начал экспериментировать с новым прибором в Bell Laboratories под Нью-Йорком. В лазере световые волны движутся когерентно, в отличие от обычного белого света, в котором лучи смешиваются во всех цветах радуги и рассеиваются во всех направлениях.

Эшкин понял, что лазер был бы идеальным инструментом для того, чтобы заставить лучи света перемещать мелкие частицы. Он освещал прозрачные сферы микрометрового размера и, конечно же, сразу же приводил их в движение. В то же время Ашкин был удивлен тем, как сферы были притянуты к середине луча, где он был наиболее интенсивным. Объяснение состоит в том, что каким бы резким ни был лазерный луч, его интенсивность уменьшается от центра к краям. Следовательно, давление излучения, которое лазерный свет оказывает на частицы, также меняется, прижимая их к середине луча, который удерживает частицы в его центре.

Чтобы также удерживать частицы в направлении луча, Ашкин добавил сильную линзу для фокусировки лазерного луча. Затем частицы притягивались к точке с наибольшей интенсивностью света. Так родилась световая ловушка; он стал известен как оптический пинцет.

Рис. 1. Эшкин создает ловушку света, известную как оптический пинцет.

Живые бактерии, захваченные светом

После нескольких лет и множества неудач в ловушку могут попасть и отдельные атомы. Трудностей было много: одна заключалась в том, что для того, чтобы оптический пинцет мог захватить атомы, требовались более сильные силы, а другая заключалась в тепловых колебаниях атомов. Необходимо было найти способ замедлить атомы и упаковать их в область, меньшую, чем точка в конце этого предложения. Все встало на свои места в 1986, когда оптический пинцет можно было сочетать с другими методами остановки атомов и их захвата.

В то время как замедление атомов само по себе стало областью исследований, Артур Эшкин обнаружил совершенно новое применение своего оптического пинцета — изучение биологических систем. Случай привел его туда. В своих попытках захватить все более мелкие частицы он использовал образцы мелких мозаичных вирусов. После того, как он случайно оставил их открытыми на ночь, образцы были полны крупных частиц, которые двигались туда-сюда. С помощью микроскопа он обнаружил, что эти частицы были бактериями, которые не просто свободно плавали — когда они приближались к лазерному лучу, они попадали в световую ловушку. Однако его зеленый лазерный луч убивал бактерии, поэтому для их выживания был необходим более слабый луч. В невидимом инфракрасном свете бактерии остались невредимыми и смогли размножаться в ловушке.

Соответственно, исследования Ашкина были сосредоточены на множестве различных бактерий, вирусов и живых клеток. Он даже продемонстрировал, что можно проникнуть в клетки, не разрушая клеточную мембрану.

Ашкин открыл целый мир новых применений с помощью своего оптического пинцета. Одним из важных прорывов стала возможность исследовать механические свойства молекулярных двигателей, больших молекул, которые выполняют жизненно важную работу внутри клеток. Первым детально картированным с помощью оптического пинцета был моторный белок кинезин и его ступенчатое движение по микротрубочкам, входящим в состав клеточного скелета.

Рисунок 2. Оптический пинцет картирует молекулярный моторный кинезин, когда он проходит вдоль клеточного скелета.

От научной фантастики к практическому применению

За последние несколько лет многие другие исследователи вдохновились перенять методы Ашкина и усовершенствовать их. В настоящее время разработка бесчисленных приложений обусловлена оптическим пинцетом, позволяющим наблюдать, поворачивать, резать, толкать и тянуть, не прикасаясь к исследуемым объектам. Поэтому во многих лабораториях лазерный пинцет является стандартным оборудованием для изучения биологических процессов, таких как отдельные белки, молекулярные моторы, ДНК или внутренняя жизнь клеток. Оптическая голография является одной из самых последних разработок, в которой можно одновременно использовать тысячи пинцетов, например, для отделения здоровых клеток крови от инфицированных, что может широко применяться в борьбе с малярией.

Артур Эшкин не перестает удивляться разработке своего оптического пинцета, научной фантастике, ставшей нашей реальностью. Вторая часть премии этого года — изобретение ультракоротких и сверхмощных лазерных импульсов — тоже когда-то относилась к нереализованным представлениям исследователей о будущем.

Новая технология ультракоротких пучков высокой интенсивности

Источником вдохновения послужила научно-популярная статья, в которой описывался радар и его длинные радиоволны. Однако перенести эту идею на более короткие оптические световые волны было сложно как в теории, так и на практике. Прорыв описан в статье, опубликованной 19 декабря.85 и стала первой научной публикацией Донны Стрикленд. Она переехала из Канады в Рочестерский университет в США, где ее привлекли к лазерной физике зеленые и красные лучи, которые освещали лабораторию, как новогоднюю елку, и, не в последнюю очередь, видения ее научного руководителя Жерара Муру. Одна из них теперь реализована — идея усиления коротких лазерных импульсов до беспрецедентного уровня.

Лазерный свет создается в результате цепной реакции, в которой частицы света, фотоны, генерируют еще больше фотонов. Они могут излучаться импульсами. С тех пор, как почти 60 лет назад были изобретены лазеры, исследователи пытались создать более интенсивные импульсы. Однако к середине 1980-х, конец пути был достигнут. Для коротких импульсов практически невозможно было увеличить интенсивность света без разрушения усиливающего материала.

Рис. 3. Техника CPA произвела революцию в лазерной технологии. Это позволяло испускать очень интенсивные короткие импульсы света, используя сложный метод, чтобы избежать риска разрушения усиливающего материала. Вместо непосредственного усиления светового импульса он сначала растягивается во времени, уменьшая его пиковую мощность. Затем импульс усиливается, и при его сжатии в том же месте собирается больше света — световой импульс становится чрезвычайно интенсивным.

Новый метод Стрикленда и Муру, известный как усиление чирпированных импульсов , CPA, был одновременно простым и элегантным. Возьмите короткий лазерный импульс, растяните его во времени, усилите и снова сожмите. Когда импульс растягивается во времени, его пиковая мощность намного ниже, поэтому его можно значительно усилить, не повреждая усилитель. Затем импульс сжимается во времени, а это означает, что больше света собирается вместе в крошечной области пространства, а интенсивность импульса резко возрастает.

Стрикленду и Муру потребовалось несколько лет, чтобы успешно все совместить. Как обычно, обилие как практических, так и концептуальных деталей вызвало затруднения. Например, импульс нужно было натянуть с помощью недавно приобретенного оптоволоконного кабеля длиной 2,5 км. Но света не было — где-то посередине оборвался кабель. После долгих хлопот 1,4 км должно было хватить. Одной из основных проблем была синхронизация различных ступеней оборудования, чтобы натяжитель луча соответствовал компрессору. Это тоже было решено, и в 1985 Стрикленд и Муру впервые смогли доказать, что их изящное видение работает и на практике.

CPA-метод, изобретенный Стриклендом и Муру, произвел революцию в лазерной физике. Он стал стандартом для всех более поздних высокоинтенсивных лазеров и открыл ворота в совершенно новые области и приложения в физике, химии и медицине. Теперь в лаборатории можно было создать самые короткие и самые интенсивные лазерные импульсы.

Самая быстрая пленочная камера в мире

Как используются эти ультракороткие и интенсивные импульсы? Одной из первых областей использования было быстрое освещение того, что происходит между молекулами и атомами в постоянно меняющемся микромире. Все происходит быстро, так быстро, что долго можно было описывать только до и после. Но с импульсами длительностью в фемтосекунду, одну миллионную миллиардную долю секунды, можно увидеть события, которые раньше казались мгновенными.

Чрезвычайно высокая интенсивность лазера также делает его свет инструментом для изменения свойств материи: электрические изоляторы могут быть преобразованы в проводники, а сверхострые лазерные лучи позволяют чрезвычайно точно вырезать или сверлить отверстия в различных материалах — даже в живых иметь значение.

Например, лазеры можно использовать для создания более эффективного хранилища данных, поскольку хранилище строится не только на поверхности материала, но и в крошечных отверстиях, просверленных глубоко в носителе данных. Эта технология также используется для производства хирургических стентов, микрометрических цилиндров из растянутого металла, которые расширяют и укрепляют кровеносные сосуды, мочевыводящие пути и другие проходы внутри тела.

Существует бесчисленное множество областей применения, которые еще не полностью изучены. Каждый шаг вперед позволяет исследователям проникать в новые миры, меняя как фундаментальные исследования, так и практические приложения.

Рис. 4. Короткие импульсы фемтосекундного лазера (справа) вызывают меньше повреждений материала, чем импульсы наносекундного лазера в миллион раз длиннее (слева). Ультракороткие и интенсивные лазерные импульсы используются в хирургии глаза, хранении данных и производстве медицинских стентов для операций на сосудах организма.

Одним из новых направлений исследований, возникших в последние годы, является аттосекундная физика. Лазерные импульсы короче ста аттосекунд (одна аттосекунда составляет миллиардную от миллиардной доли секунды) раскрывают драматический мир электронов. Электроны — рабочие лошадки химии; они ответственны за оптические и электрические свойства всего вещества и за химические связи. Теперь их можно не только наблюдать, но и контролировать.

Рисунок 5. Чем быстрее пульсирует свет, тем быстрее движения можно наблюдать. Почти невообразимо короткие лазерные импульсы имеют скорость всего несколько фемтосекунд и даже могут быть в тысячу раз быстрее, аттосекунды. Это позволяет снимать последовательности событий, о которых когда-то можно было только догадываться; движение электронов вокруг атомного ядра теперь можно наблюдать с помощью аттосекундной камеры.

К еще более экстремальному свету

Многие приложения для этих новых лазерных технологий ждут не за горами — более быстрая электроника, более эффективные солнечные элементы, лучшие катализаторы, более мощные ускорители, новые источники энергии или дизайнерские фармацевтические препараты. Неудивительно, что в лазерной физике существует жесткая конкуренция.

Донна Стрикленд в настоящее время продолжает свою исследовательскую карьеру в Канаде, а Жерар Муру, вернувшийся во Францию, среди прочих проектов участвует в общеевропейской инициативе в области лазерных технологий. Он инициировал и руководил ранней разработкой инфраструктуры экстремального освещения (ELI). Три площадки — в Чехии, Венгрии и Румынии — будут готовы через несколько лет. Планируемая пиковая мощность составляет 10 петаватт, что эквивалентно невероятно короткой вспышке ста тысяч миллиардов лампочек.

Эти центры будут специализироваться в разных областях – аттосекундных исследованиях в Венгрии, ядерной физике в Румынии и пучках частиц высоких энергий в Чешской Республике. Новые и еще более мощные объекты планируются в Китае, Японии, США и России.

Уже ходят слухи о следующем шаге: десятикратном увеличении мощности, до 100 петаватт. Видения будущего лазерных технологий на этом не заканчиваются. Почему бы не мощность в зеттаватт (один миллион петаватт, 1021 ватт) или импульсы до зептосекунд, что эквивалентно почти невообразимо крошечному отрезку времени в 10–21 секунду? Открываются новые горизонты, от исследований квантовой физики в вакууме до производства интенсивных протонных пучков, которые можно использовать для уничтожения раковых клеток в организме. Впрочем, и сейчас эти прославленные изобретения позволяют нам порыться в микромире в лучшем духе Альфреда Нобеля – для наибольшей пользы человечества.

Рис. 6. Развитие лазерного импульса максимальной интенсивности. Техника CPA, получившая награду в этом году, является основой для взрывного развития все более мощных лазерных импульсов.

Ссылки и дополнительная литература

Дополнительная информация о премиях этого года, включая научную базу на английском языке, доступна на веб-сайте Шведской королевской академии наук www.kva.se и на http://www.nobelprize.org. Там вы можете посмотреть видеозаписи пресс-конференций, Нобелевских лекций и многое другое. Информация о выставках и мероприятиях, связанных с Нобелевскими премиями и Премией в области экономических наук, доступна на сайте www.nobelcenter.se.

Артикул

Ашкин, А. (1997) Оптический захват и манипулирование нейтральными частицами с использованием лазеров,
Proc. Натл. акад. науч. США , Том. 94, стр. 4853–4860

Стрикленд, D . и Mourou, G. (1985) Сжатие усиленных чирпированных оптических импульсов, Optics Communications , Vol. 56, № 3

Видео

Ашкин, А . и Gordon, J. P. (2014) Symposium 2014, Оптическое общество, Сан-Хосе, Калифорния, www.youtube.com/watch?v=Lx4sZKY0YGY

Ашкин, А. (2004) Премия Харви 2004, Технион, Израиль, www.youtube.com/watch?v=KmLVNA2nJOQ

Strickland, D. (июнь 2014 г.) «От сверхбыстрого к сверхлегкому»: Празднование Жерара Муру (часть 2) , Анн-Арбор, Мичиган, США, www.youtube.com/watch?v=5ucw-T2EX- 8, начало в 26:00

Муру, G . (июнь 2014 г.) «От сверхбыстрого к сверхлегкому»: Празднование Жерара Муру (часть 8) , Анн-Арбор, Мичиган, США, www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=iaFpuwbu4wI, начало в 28:00

Шведская королевская академия наук приняла решение о присуждении Нобелевской премии по физике за 2018 год

«За революционные изобретения в области лазерной физики»

с половиной до

АРТУР АШКИН
Родился в 1922 году в Нью-Йорке, США.
к.т.н. 1952 г., Корнельский университет, Итака, США.
https://history.aip.org/phn/11409018.html

«оптический пинцет и его применение в биологических системах»

и другая половина вместе с

ЖЕРАР МУРУ
Родился в 1944 году в Альбервиле, Франция. Кандидат наук. 1973.
www.polytechnique.edu/annuaire/en/users/gerard.mourou

ДОННА СТРИКЛЭНД
Родилась в 1959 году в Гвельфе, Канада. Кандидат наук. 1989 г., Рочестерский университет, США.
https://uwaterloo.ca/physics-astronomy/people-profiles/donna-strickland

«за метод генерации сверхкоротких оптических импульсов высокой интенсивности»

Научные редакторы : Ольга Ботнер, Гуннар Ингельман, Андерс Ирбек и Матс Ларссон, Нобелевский комитет по физике Академия наук
Редактор : Сара Густавссон

Процитировать этот раздел
Стиль MLA: Популярная информация. Нобелевская премия.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Вс. 30 октября 2022 г.

Наверх
Back To TopВозвращает пользователей к началу страницы

Нобелевские премии 2022 г.

Четырнадцать лауреатов были удостоены Нобелевской премии в 2022 году за достижения, которые принесли наибольшую пользу человечеству.

Их работа и открытия варьируются от палеогеномики и клик-химии до документирования военных преступлений.

См. все представленные здесь.

Выберите категорию или категории, по которым вы хотите отфильтровать

Физика
Химия
Лекарственное средство
Литература
Мир
Экономические науки

Выберите категорию или категории, которые вы хотите отфильтровать по

Физика

Химия

Лекарственное средство

Литература

Мир

Экономические науки

Уменьшить год на один

Выберите год, в котором вы хотите искать

Увеличить год на один

Три ученых получили Нобелевскую премию по физике 2018 года за работу в области лазерной физики, в том числе третья женщина, получившая ее

Донна Стрикленд стала первой женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике за 55 лет после того, как Мария Кюри получила ее в 1903 и Мария Гепперт-Майер в 1963 году.

India Today Web Desk

Нью-Дели, ОБНОВЛЕНО: 3 октября 2018 г., 11:57 IST

Нобелевская премия по физике за 2018 г. 2 октября 2018 г. была присуждена Артуру Ашкину из США, Жерару Муру из Франции и Донна Стриклэнд из Канады.
(Изображение: Twitter/NobelPrize)

By India Today Web Desk : Нобелевская премия по физике 2018 года 2 октября 2018 года была присуждена Артуру Ашкину из США, Жерару Муру из Франции и Донне Стрикленд из Канады , что сделало ее третьей женщиной, получившей престижную награду.

Трио лауреатов получило приз за новаторских изобретения в области лазерной физики.

Открытия ученых, которые привели их к Нобелевской премии

1. Артур Ашкин получил премию за оптический пинцет и его применение в биологических системах.

Артур Ашкин, лауреат Нобелевской премии по физике 2018 года, родился в 1922 года в Нью-Йорке, США.
Он получил докторскую степень. в 1952 году в Корнельском университете, Итака, США. https://t.co/pbNjp0KJJA pic.twitter.com/lRBNdl6wJv
Нобелевская премия (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Оптический пинцет Эшкина способен захватывать частицы, атомы, вирусы и другие живые клетки своими лазерными лучами, позволяя американскому исследователю осуществить «давнюю мечту научной фантастики». — использование радиационного давления света для перемещения физических объектов

Научная фантастика стала реальностью. Оптический пинцет позволяет наблюдать, поворачивать, резать, толкать и тянуть с помощью света. Во многих лабораториях лазерный пинцет используется для изучения биологических процессов, таких как белки, молекулярные моторы, ДНК или внутренняя жизнь клеток. #Нобелевская премия pic.twitter.com/tWK55J4VcP
Нобелевская премия (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Пинцет может захватывать живые бактерии, не причиняя им вреда, прорыв, который он совершил еще в 1987. С тех пор эти инструменты широко использовались «для исследования механизмов жизни», пояснили в Академии.

2. Жерар Муру и Донна Стрикленд получили совместную награду за метод генерации сверхкоротких оптических импульсов высокой интенсивности, говорится в заявлении Шведской королевской академии наук.

Лауреат Нобелевской премии Жерар Муру родился в 1944 году в Альбервиле, Франция.
Он является почетным профессором Мичиганского университета @UMich и Политехнической школы в Палезо-Франс @Polytechnique
https://t.co/EBwNBPvKFn pic.twitter.com/UVc5esdaeG
Нобелевская премия (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Они создали сверхкороткие высокоинтенсивные лазерные импульсы без разрушения усиливающего материала, тем самым проложив путь к самым коротким и интенсивным лазерным импульсам, когда-либо созданным человечеством

Ультракороткие и интенсивные лазерные импульсы позволяют увидеть события, которые раньше казались мгновенными. Лазерные импульсы короче 100 аттосекунд (одна аттосекунда составляет одну миллиардную от миллиардной доли секунды) раскрывают драматический мир электронов. Подробнее: https://t.co/e7N1QpQ2Yj pic.twitter.com/VACJgG7c1M
Нобелевская премия (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Жерар Муру и Донна Стрикленд, получившие в этом году Нобелевскую премию, проложили путь к самым коротким и интенсивным лазерным импульсам, созданным человечеством. Разработанная ими техника открыла новые области исследований и привела к широкому промышленному и медицинскому применению. pic.twitter.com/KQYcbmW0tl
Нобелевская премия (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Их инновационная технология, известная как « усиление чирпированных импульсов » (CPA), теперь стала стандартом для высокоинтенсивных лазеров, в том числе для сверхострых лучей используется в корректирующих операциях на глазах.

Донна Стрикленд — третья женщина, получившая Нобелевскую премию

Донна Стрикленд, лауреат Нобелевской премии этого года, родилась в 1959 году в Гвельфе, Канада.
Она доцент Университета Ватерлоо, Онтарио, Канада @UWaterloo
https://t.co/Hc4lyWhZTG pic.twitter.com/vGEpjnmfCL
Нобелевская премия (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Стрикленд стала первой женщиной, получившей награду в 55 лет после того, как Мария Кюри выиграла его в 1903 году и Мария Гепперт-Майер в 1963 году.

Прежде всего, вы должны думать, что это безумие!
— Донна Стрикленд, наш новый лауреат по физике, получила сегодня волшебный звонок #NobelPrize.
Нобелевская премия (@NobelPrize) 2 октября 2018 г. , чтобы быть одной из тех женщин».
Стрикленд родилась недалеко от Торонто, Канада, в 1959 году, получила докторскую степень в Университете Рочестера с Муру в качестве ее советника, совместно разработав технику «чирпированного усиления импульса».
Нобелевская премия Премия по физике присуждается Шведской королевской академией наук, Стокгольм, Швеция с премией в один миллион долларов США
Читать о лауреатах 2017 г. | Нобелевская премия по физике, полученная американскими учеными за открытие гравитационной волны
Большой разрыв в гендерном неравенстве – некоторые тревожные статистические данные
С момента присуждения первых премий в 1901 году их получили 892 человека, но только 48 из них были женщинами
30 из этих женщин выиграли литературную премию или премию мира , что свидетельствует о большом гендерном разрыве среди лауреатов по физике, химии и физиологии/медицине
Только одна женщина получила премию по экономике , которая не является Нобелевской, но связана с премиями
В своем завещании от 1895 года основатель премии Альфред Нобель написал: «Я выражаю особое желание, чтобы при присуждении премий не учитывалась национальная принадлежность любого рода, чтобы наиболее достойные получали приз, независимо от того, быть скандинавом или нет».