Содержание
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 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
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
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
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).
К началу
Нобелевская премия по физике 2018 – за «оптические пинцеты» и новаторский метод усиления лазерного луча
: 13.
10.2018
Нобелевскую премию по физике 2018 г. получили американец Артур Эшкин, а также француз Жерар Мур и канадка Донна Стрикланд за «революционные изобретения в области лазерной физики». Результаты их научной работы, давно ставшие классическими, прокомментировал на традиционной пресс-конференции СО РАН по итогам Нобелевской недели академик РАН А. М. Шалагин, научный руководитель Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск)
Работы, которые были в 2018 г. отмечены Нобелевской премией по физике, посвящены разным технологиям, но в том и в другом случае речь идет о новаторских изобретениях в области лазерной физики.
А. Эшкин, бывший руководитель отдела Лаборатории Белла (США), которому на момент присуждения премии исполнилось 96 (!) лет, был награжден за создание так называемых «оптических пинцетов», которые нашли широкое применение в молекулярной биологии, вирусологии и других биологических дисциплинах. А профессор Ж. Мур и его бывшая аспирантка, а ныне профессор Университета Уотерлу (Канада), более тридцати лет назад разработали метод генерации ультракоротких высокоинтенсивных оптических импульсов.
Еще до того, как Эшкин разработал свою технологию оптического пинцета, он совместно со Стивеном Чу проводил исследования по ускорению, замедлению и захвату атомов в оптической ловушке с помощью лазерного излучения. Чу сосредоточил свои интересы именно на оптических ловушках, за что в 1997 г. получил Нобелевскую премию. Эшкин же, после исследований светового давления на атомарные газы, сосредоточился на изучении действия радиационных сил на более крупные объекты (нано- и микроразмерные). На этом пути ему удалось удержать эти объекты в перетяжке лазерного луча, и перемещать их в пространстве вместе с перемещением перетяжки. Это и есть так называемый лазерный пинцет. Наиболее яркие применения этот пинцет нашел в биологии и медицине.
Возможность манипулировать объектами микро- и наноразмера, от эритроцита до фрагмента ДНК или белковой молекулы, вызвала огромный интерес у биологов. В России технологией лазерного пинцета занимается научная группа академика В.А. Сойфера в Институте систем обработки изображений РАН (Самара).
Можно надеяться, что эта очень нужная технология вскоре придет и в отечественную медицину.
Второе «нобелевское» достижение – метод генерации ультракоротких высокоинтенсивных оптических импульсов, разработанный Муром и Стрикланд, – служит ярким примером, что простое эквивалентно гениальному.
Физики всегда хотели получить наиболее интенсивные лазерные поля, а самый простой способ сделать это – укорачивать лазерный импульс во времени при сохранении полной энергии. До какого-то момента исследователи так и делали, пока не достигли непреодолимого предела, при котором происходит разрушение самой среды, материала, где этот процесс происходит.
И вот возникла замечательная идея: ультракороткий лазерный импульс с малой энергией «растянуть» во времени и тем уменьшить его интенсивность, а затем с помощью усилителя лазерного излучения увеличить его энергию и затем «собрать» обратно. Импульс сжимают в оптическом компрессоре, получая на выходе такой же короткий импульс, как на входе, но в тысячи раз более интенсивный.
При получении импульсов предельно высокой интенсивности для дисперсии и компрессии лазерного импульса используют дифракционные решетки и особые зеркала.
Лазеры, генерирующие сверхкороткие импульсы, незаменимы в исследованиях быстропротекающих процессов. Если же при этом импульсы имеют рекордную интенсивность, то такие лазеры имеют перспективу и в качестве ускорителей заряженных частиц: при распространении высокоинтенсивных импульсов в среде создается огромной плотности положительный объемный заряд, и если ему вслед послать, с соответствующей синхронизацией, электронный сгусток, то последний будет ускоряться на довольно короткой дистанции до очень больших энергий. Излучение очень высокой интенсивности способно «пробивать вакуум», рождая при этом электрон-позитронные пары и иные элементарные частицы, а это уже физика высоких энергий. Еще одно возможное применение, интерес к которому не пропадает, – лазерный термояд.
Нобелевский лауреат Жерар Мур с 2010 г.
в течение нескольких лет работал в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) по тематике ультракоротких высокоинтенсивных оптических импульсов. На установке ИПФ РАН – мощном мультипетаваттном лазере, работающей по технологии Стрикланд и Муру – были получены впечатляющие результаты. Сотрудничество ученых продолжается до сих пор
В Сибирском отделении СО РАН аттосекундные импульсы и поля сверхвысокой интенсивности входят в тематику Института лазерной физики (Новосибирск), специалисты которого также сотрудничают с коллегами из Нижнего Новгорода, Арзамаса и Сарова. А в лаборатории волоконной оптики новосибирского Института автоматики и электрометрии СО РАН в процессе своих исследований часто сталкиваются с необходимостью расширения и последующего сжатия лазерного импульса.
Статьи по теме: А.А. Аполонский. В погоне за особенным светом: https://scfh.ru/papers/v-pogone-za-osobennym-svetom/
Подготовила Татьяна Морозова
: 13.
10.2018
Пешеходная физика уходит с двумя Шнобелевскими лауреатами
Новости исследований
• Физика 14, 128
Среди лауреатов Шнобелевской премии этого года есть две группы физиков, изучающих, как люди избегают, а иногда и не избегают столкновений при ходьбе.
Дмитрий/stock.adobe.com
Физики отслеживают движения пешеходов, чтобы понять, как люди избегают столкновений друг с другом.
Дмитрий/stock.adobe.com
Физики отслеживают движения пешеходов, чтобы понять, как люди избегают столкновений друг с другом.
×
Шнобелевские премии в очередной раз позволили беззаботно взглянуть на недавние научные достижения, которые «заставляют людей смеяться, а затем думать». В этом году две премии достались физикам, изучающим предотвращение столкновений пешеходов. Пара наград подчеркивает растущий интерес физиков к исследованию основных «сил», управляющих поведением толпы.
На прошлой неделе в ходе 31-я церемония вручения первой ежегодной Шнобелевской премии. Это был второй раз, когда торжества проводились онлайн из-за продолжающейся пандемии COVID-19.
Марк Абрахамс — редактор журнала Анналы невероятных исследований (который организует приз) — провела забавную видеоконференцию с традиционными функциями, такими как жеребьевка бумажного самолетика и научная опера. Награды — бумажный трофей «Сделай сам» и купюра в десять триллионов долларов в валюте Зимбабве — были вручены фактически настоящими Нобелевскими лауреатами, включая Карла Вимана и Эрика Корнелла (которые разделили Нобелевскую премию по физике в 2001 году).
Премия по физике досталась Алессандро Корбетте из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах и его коллегам за исследование динамики пешеходов на вокзале. «Мы были позорно удивлены этим объявлением», — пошутила Корбетта в последующем интервью. Он сказал, что Шнобелевская премия — это возможность дать людям понять, что физика предназначена не только для изучения частиц и планет.
«Есть много нетрадиционных систем, таких как оживленные вокзалы, которые можно понять, применяя язык физики», — сказала Корбетта. Проанализировав траектории нескольких миллионов пешеходов, он и его коллеги обнаружили, что движение толпы можно понять, предполагая наличие «социальных сил», которые помогают предотвратить столкновение людей друг с другом ( Физика освещала эти результаты в 2018 году, см. Синопсис: Как пешеходы избегают столкновений ).
Однако другая группа физиков обнаружила, что наши способности избегать столкновений не являются надежными. Хисаси Мураками из Киотского технологического института в Японии и его коллеги попросили две группы добровольцев пройти мимо друг друга, пока некоторые из добровольцев смотрели в свои мобильные телефоны. «Мы хотели помешать способности пешеходов к предвидению», — сказал Мураками.
Как мы все могли догадаться, пешеходы с мобильными телефонами часто не замечали своих попутчиков, что приводило к нескольким стычкам и близким столкновениям.
Но Мураками и его коллеги, удостоенные Шнобелевской премии в области кинетики, обнаружили, что даже пешеходы без мобильных телефонов с трудом ориентируются в толпе. Подразумевается, что люди рассчитывают на осведомленность других, чтобы координировать свои маршруты ходьбы. «Мы обнаружили, что взаимное ожидание способствует упорядоченному движению человеческих толп», — сказал Мураками.
Откуда такой интерес к пешеходной динамике? «Существует идея, что человеческое поведение непредсказуемо», — сказал Федерико Тоски, один из победителей Корбетты из Эйндховена. Но статистическое поведение большой группы людей можно предвидеть, говорит он. Например, ученые могут измерить, как быстро люди в среднем ходят в хорошо освещенном коридоре или на улице под дождем. Затем эти данные можно использовать для проектирования вокзалов, футбольных стадионов и других городских объектов, чтобы избежать перенаселенности.
«Мы также можем использовать наше понимание, чтобы улучшить качество посещения музея, применяя некоторые стимулы, чтобы люди не стояли в очереди перед картиной», — добавил Тоски.
Незаметное изменение освещения или звук, доносящийся из соседней комнаты, а не музейный охранник, могут подтолкнуть вас на подсознательном уровне, побуждая двигаться дальше и позволить другим взглянуть на Мону Лизу .
Не забудьте выключить мобильный телефон.
– Майкл Ширбер
Майкл Ширбер является ответственным редактором Журнал Physics Magazine из Лиона, Франция.
Нанофизика
Управление односторонним потоком с помощью двустороннего поля
Конструкция нанонасоса, использующего переменное электрическое поле, может позволить исследователям лучше контролировать наноразмерные потоки жидкости. Подробнее »
Физика конденсированного состояния
Разгадка ахиллесовой пяты измерений теплопроводности Холла
Долгое время исследователи предполагали, что фононы не могут способствовать тепловому эффекту Холла из-за отсутствия у них заряда и спина.
Новая работа бросает вызов этому предположению. Подробнее »
Частицы и поля
Обнаружение распада темной материи
Другие статьи
Лауреат Нобелевской премии по физике также является лауреатом Шнобелевской премии
Андрей Гейм стал первым лауреатом Нобелевской и Шнобелевской премий
Джон Бродкин
Сетевой мир |
Рано или поздно это должно было случиться. Лауреат Шнобелевской премии стал настоящим лауреатом Нобелевской премии.
Андре Гейм, 51-летний физик российского происхождения, получивший известность благодаря своей работе с веществом графеном, во вторник получил Нобелевскую премию по физике.
Шнобелевская премия вручается самым чокнутым исследователям мира: победители 2010 года
Всего 10 лет назад Гейм был удостоен сатирической Шнобелевской премии за использование магнитов для левитации лягушки.
20-летняя Шнобелевская премия вручается за достижения, которые сначала заставляют людей смеяться, а затем заставляют их задуматься, во время церемонии, на которой настоящие Нобелевские лауреаты вручают премии. Церемония в Гарвардском университете обычно завершается фразой «Если вы не выиграли приз — и особенно если вы его выиграли — удачи в следующем году!»
Удача Гейма, должно быть, значительно увеличилась за десятилетие, прошедшее с момента получения Шнобелевской премии. «Анналы невероятных исследований», в которых проходит церемония вручения Шнобелевской премии, торжественно объявили о победе Гейма в пресс-релизе.
«Поздравляем Андрея Гейма, нового лауреата Нобелевской премии по физике», — сказали организаторы Шнобелевской премии. «Он становится первым, кто получил как личность Нобелевскую премию (в этом году вместе с Константином Новоселовым за эксперименты с веществом графеном) и Шнобелевскую премию (в 2000 году вместе с сэром Майклом Берри за с помощью магнитов левитировать лягушку)».
Шнобелевский комитет отмечает, что «технически Андре Гейм не самый первый человек, удостоенный и Шнобелевской, и Нобелевской премий, но он первый, кто получил и Шнобелевскую премию, и Нобелевскую премию. Барт Нолл, который ( вместе с Руурдом де Йонгом) был удостоен Шнобелевской премии по энтомологии 2006 года (за демонстрацию того, что самку малярийного комара Anopheles gambiae в равной степени привлекает запах лимбергского сыра и запах человеческих ног) также был одним из сотен сотрудников Международного агентства по атомной энергии, которые вместе были удостоены Нобелевской премии мира в 2005 году».
На этой неделе Нобелевский комитет упомянул Гейма «за новаторские эксперименты с двумерным графеном». раскрыть новые секреты фундаментальной физики», — заявили в Нобелевском фонде. «Это графен, выделенный Андреем Геймом и Константином Новоселовым, лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года».
Нобелевская премия Гейма была вручена всего через несколько дней после последней Шнобелевской церемонии, в которой чествовали, среди прочего, исследователей, изучающих сексуальные практики фруктовых летучих мышей и привычку микробов цепляться за бородатых ученых.