Во вторник, 2 октября, Шведская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике «за пионерские изобретения в области лазеров». Половина награды достанется 96-летнему американскому физику Артуру Эшкину, изобретшему технологию оптического пинцета, другую половину поделят между собой Жерар Муру и Донна Стрикленд, разработавшие метод генерации фемтосекундных петаваттных лазерных импульсов.
Как лазер стал пинцетом
Для манипуляций с мелкими предметами, например выщипывания бровей или отделения зерен сорняков от гречихи, удобно пользоваться пинцетом, который может механически захватывать и удерживать интересующие предметы. К сожалению, перемещать объекты микронного размера — живые клетки, белки и молекулы — обычным пинцетом невозможно: любая попытка захватить такой объект приведет к его разрушению, а дальнейшие манипуляции потеряют смысл. Чтобы преодолеть это препятствие, американский физик Артур Эшкин разработал оптический пинцет — устройство, использующее лазерный луч для перемещения микроскопических объектов при сохранении их внутренней структуры.
Вообще говоря, производительность оптического пинцета зависит от размера перемещаемого объекта. Для начала рассмотрим ситуацию, когда размеры объекта превышают длину волны лазерного излучения - d > λ. Это условие позволяет использовать приближение геометрической оптики для расчета траекторий отраженных и преломленных частицей лучей. Для простоты частицу можно аппроксимировать идеальной сферой (рассеяние Ми).
Кроме того, отметим, что электромагнитная волна, рассеянная частицей, передает ей некоторый импульс - и, следовательно, создает действующую силу, толкающую частицу по градиенту квадрата электрического поля, то есть в сторону увеличения интенсивность света (поэтому сила называется градиентной). В результате частица будет «прижата» к оси пучка, вблизи которой интенсивность лазерного излучения максимальна. Если же на частицу направить два лазера, распространяющихся в противоположных направлениях, или лазер сфокусировать с помощью системы линз, то ее можно «зажать» в трех измерениях и заставить двигаться вслед за точкой фокусировки.
Чтобы понять, как возникает градиентная сила, представьте себе плоскую мишень площадью S, в которую стреляют пули массой m и скоростью v, а концентрация пуль (количество пуль в одном кубическом метре) равна n. При упругом отражении от цели пуля передает ей импульс р = 2мв. За время Δt в цель попадет N = nSvΔt пуль, что придаст ей импульс ΔP = pN = 2Snmv2Δt. Используя второй закон Ньютона, находим, что на цель действует сила F = ∆P/∆t = 2Snmv22. В случае оптического пинцета мишень — микрочастица, а пули — фотоны электромагнитной волны. Из-за сложной формы частицы действующая сила рассчитывается более сложным образом, но ее природа остается прежней.
Если диаметр микрочастиц оказывается меньше длины волны лазера (d < λ), то работу оптического пинцета можно объяснить в рамках электродипольного приближения. При попадании такой частицы в электрическое поле лазерного луча ее заряд перераспределяется по объему и в ней индуцируется электрический дипольный момент. С другой стороны, энергия диполя, помещенного в электрическое поле, зависит от его ориентации. Поэтому, пытаясь уменьшить эту энергию, микрочастица будет поворачиваться и «ползти» по градиенту поля. Получается, что со стороны лазера на частицу действует эффективная градиентная сила. В противном случае этот случай аналогичен d > λ. Подробнее о принципах работы оптического пинцета можно прочитать в статье доктора технических наук А. Голубева.
Градиентные силы впервые экспериментально обнаружил Артур Ашкин в 1970 году. После этого физику потребовалось еще 16 лет, чтобы отточить технологию и создать первый полноценный оптический пинцет, способный захватывать и перемещать микроскопические частицы. В основном ученому мешали тепловые колебания атомов, которые он пытался уловить, и малая мощность имевшихся в то время лазеров. Через год Эшкин, уловив вирус табачной мозаики и бактерии кишечной палочки с помощью оптического пинцета, показал, что его технология может быть использована для изучения биологических объектов. Более того, уменьшив длину волны лазерного луча, ученый добился того, что бактерии остались жизнеспособными и продолжали размножаться, попав в оптическую ловушку.
Разработка Ашкина сыграла важную роль в изучении многих биологических процессов, в частности молекулярных машин, за исследование которых Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернар Феринга получили в 2016 году Нобелевскую премию по химии. В том числе с помощью оптического пинцета ученые увидели, как молекула кинезина «ходит» по поверхности образца, и измерили силу, с которой она способна тянуть предметы. Для этого исследователи прикрепили конец молекулы к микроскопической сфере, подвешенной в оптической ловушке, и измерили, насколько далеко молекула может «оттянуть» сферу от положения равновесия. Кроме того, с помощью оптического пинцета биофизики научились собирать искусственные клетки в упорядоченные структуры и измерять вязкоупругие свойства биополимеров.
Дмитрий Чубич, сотрудник лаборатории 3D-печати функциональных микроструктур Московского физико-технического института, так прокомментировал разработку Артура Ашкина: «Оптический пинцет активно используется в биологии — для этого нужно подобрать длину волны лазера так, чтобы частица его не поглощает, то есть не нагревается.В этом случае можно перемещать, например, живую клетку или органеллы в клетке в произвольном направлении, и клетка не разрушается, остается целой и жизнеспособной. Более того, его можно разместить там, где нужно, с точностью до нескольких сотен нанометров — в зависимости от длины волны лазера».
Об одном из таких проектов рассказал заведующий отделом лазерной плазмы Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаил Агранат. По его словам, его сотрудники совместно с коллегами из МГУ разработали комбинированный прибор, сочетающий в себе лазерный скальпель и пинцет. С помощью этой установки ученые смогли разрезать оболочку эмбриона на ранних стадиях деления и извлечь пинцетом полярное тельце, исследование которого позволяет судить о состоянии эмбриона, в частности, о генетических аномалиях. Кроме того, легкие инструменты позволяют экспериментировать с клеточными сфероидами.
Извлечение полярного тельца из яйца группой Михаила Аграната / ОИВТ РАН
Извлечение полярного тельца из яйца группой Михаила Аграната / ОИВТ РАН
Извлечение полярного тельца из яйца группой Михаила Аграната / ОИВТ РАН
Извлечение полярного тельца из яйца группой Михаила Аграната / ОИВТ РАН
Конечно, оптические пинцеты используются не только в биофизике, но и в других областях науки. Например, их можно использовать для управления отдельными атомами — в марте этого года австралийские физики измерили силу, действующую на отдельный атом, с точностью до сотой аттоньютона, а в апреле американские исследователи провели первую химическую реакцию между отдельными атомами. щелочных металлов. Более того, разработка Ашкина имеет и прикладное применение — например, в январе этого года американские инженеры получили с помощью оптического пинцета трехмерное цветное изображение, напоминающее голограммы из фантастических фильмов.
Интересно, что Стивен Чу, один из соавторов статьи 1986 года, в которой впервые был описан оптический пинцет, получил Нобелевскую премию по физике еще в 1997 году. В отличие от Ашкина, сосредоточившегося на применении оптического пинцета в биофизике, Чу адаптировал эту технологию для охладить нейтральные атомы до сверхнизких температур, что в конечном итоге позволило физикам на практике создать конденсат Бозе-Эйнштейна. В ряде интервью Чу отметил вклад Ашкина в развитие технологии; этот вклад теперь официально признан. Кроме того, стоит отметить, что 2 сентября Артуру Ашкину исполнилось 96 лет, что сделало его самым пожилым лауреатом Нобелевской премии в истории.
Конденсированный и усиленный свет
Разработка других лауреатов, Жерара Муру и Донны Стрикленд, также связана с лазерными лучами и также позволяет изучать процессы на уровне элементарных частиц.
Первые лазеры — оптические квантовые генераторы, позволяющие получать когерентные, монохроматические, поляризованные и узконаправленные импульсы электромагнитного излучения, — были созданы в начале 1960-х годов. С помощью таких импульсов очень удобно изучать внутреннее строение веществ и наблюдать за происходящими в них процессами — например, «увидеть», как электроны разлетаются по диэлектрику. Для этого нужно посветить лазером на вещество и измерить его реакцию. Чем больше мощность лазерной вспышки, тем сильнее вещество «отвечает» на ее воздействие. С другой стороны, чем дольше по времени длится вспышка, тем труднее выделить «ответ» образца на первичное воздействие. Поэтому на протяжении всей истории изучения лазеров физики пытались увеличить мощность лазерного импульса и уменьшить его длительность. Для этого физики использовали все более мощные усилители, которые заставляли лазер генерировать больше фотонов.
В середине 1980-х исследователи научились получать такие мощные и короткие лазерные импульсы, что материал усилителя не выдержал и установка была разрушена. Казалось, что физика зашла в тупик. К счастью, Жерар Муру и Донна Стрикленд почти сразу же решили эту проблему, разработав в 1985 году метод усиления чирпированных импульсов (CPA). По сути, этот метод довольно прост.
На первом этапе ученые увеличивают ширину спектра лазерного импульса — «растягивают его во времени» — с помощью дисперсионной оптической системы (пара призм). Затем импульс усиливается стандартными методами; за счет «удлинения» импульса снижается его пиковая энергия, поэтому установка не разрушается. Наконец, на последнем этапе импульс снова «сжимается» с помощью дифракционных решеток. В результате мощность чирпированного импульса может достигать 1015 Вт при длительности около одной фемтосекунды (10–15 секунд). В настоящее время чирпированное усиление является основным методом получения сверхмощных лазерных импульсов.
Фемтосекундные лазеры, которые были изобретены Муром и Стриклендом, сейчас вовсю используются в промышленности; в принципе их можно свободно купить за разумные деньги. Это не какая-то диковинная штука, вроде графена, например, которого до сих пор нет в магазине. Такие лазеры есть практически в любом вузе — везде, где люди изучают оптику.
Причина такой популярности проста: с помощью фемтосекундных лазеров можно проводить множество важных экспериментов и изучать физические процессы с очень высоким временным разрешением. Например, фотографировать процесс фотоэлектронной эмиссии и следить за отделением электрона от атома водорода, увеличивать скорость химической реакции и «раздувать» лист графена. В настоящее время «скорострельность» камер, использующих чирпированные импульсы, превышает триллион кадров в секунду.
Олег Витрик, сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, так отзывается о чирпированных импульсах: «Мы используем их, как правило, для изучения строения вещества. может нивелировать этот отклик. Чирпированный импульс, наоборот, создает наиболее чистый с физической точки зрения отклик. С его помощью мы изучаем различные плазмонные структуры на поверхности вещества. Эти структуры могут работать как антенны, то есть преобразовывать излучение на этих структурах.
Таким образом, мы можем преобразовать, грубо говоря, макромир порядка длины волны в гораздо меньшие масштабы. Например, для усиления сигналов фотолюминесценции или сигналов комбинационного рассеяния, для изготовления метаматериалов и супергидрофобных поверхностей, для проведения сверхчувствительного химического анализа и для окрашивания металла, то есть придания ему цвета не с помощью краски, а с помощью плазмонные эффекты».
Кроме того, фемтосекундные лазеры позволяют нагревать вещество до очень высокой температуры, превышающей температуру на поверхности Солнца. Сергей Макаров говорит: «Недавно, лет 7–8 назад, был бум вокруг термоядерного синтеза, который зажигали с помощью фемтосекундных лазеров. Дело в том, что мощность – это количество энергии в единицу времени. Соответственно, если сжать энергию лазерного луча в одну фемтосекунду, - за очень короткий промежуток времени, - то мы получим очень большую мощность, сравнимую с мощностью всех электростанций в мире. Если еще хорошо сфокусировать этот импульс - линзой или объективом, то это позволит нагреть материал до 10 тысяч градусов. Ну, до колоссальных температур. И тогда открывается новая физика, фундаментальная и линейная. Например, если сфокусировать такие импульсы в вакууме, можно увидеть так называемое кипение вакуума, то есть рождение электрон-позитронных пар или других элементарных частиц».
«Также высокая мощность ультракоротких импульсов позволяет создавать компактные ускорители частиц — например, установка, занимающая 30 квадратных метров, может производить частицы с энергией в одну десятую энергии Большого адронного коллайдера», — говорит сотрудник Ландау в Институте теоретической физики.
Наконец, фемтосекундные лазеры широко применяются в медицине — в частности, их используют для сверления зубов или лазерной коррекции зрения. Чем короче длительность лазерного импульса, тем точнее можно ограничить область, в которой выделяется его энергия, поэтому с помощью фемтосекундных лазеров можно делать точные надрезы, незначительно повреждающие окружающие ткани.
Читайте также
- 10 современных книг нобелевских лауреатов →
- Жидкие коты и вагинальный игрок: 22 самых дурацких открытия, удостоенных Шнобелевской премии →
- Аутофагия: что это такое и как открытие нобелевского лауреата может взломать нашу жизнь →