Královská švédská akademie věd začátkem října zveřejnila jména letošních laureátů Nobelovy ceny za fyziku. Ocenění si odnáší trojice vědců Arthur Ashkin, Gérard Mourou a Donna Stricklandová za základní objevy v laserové fyzice.
Nobelova cena je spojena s finanční odměnou ve výši devět milionů švédských korun. Polovina připadne americkému fyzikovi Arthuru Ashkinovi za vynález tzv. optické pinzety a její aplikaci v biologických systémech. O druhou polovinu odměny se podělí Francouz Gérard Mourou a Kanaďanka Donna Stricklandová, autoři metody generování velmi krátkých optických pulzů s vysokou intenzitou. Ceny budou uděleny na slavnostním ceremoniálu 10. prosince ve Stockholmu.
V roce 1970 ukázal Arthur Ashkin, že síly generované laserovými paprsky mohou ve vodě nebo ve vzduchu zachycovat malé dielektrické částice. Rozptyl světla tlačí částice ve směru šíření paprsku. Dva paprsky, které se šíří opačnými směry, zastaví částici pohybující se v ose paprsku. V zásadě Ashkin ukázal, že částice s indexem lomu větším, než je index lomu média, je přitahována směrem ke středu paprsku. Je to důsledek gradientu intenzity, který existuje mezi hranou a středem paprsku. Tento efekt podmiňuje také vznik záchytných sil v dalších dvou rozměrech a vytvoření 3D optické pasti.
O šestnáct let později Ashkin ukázal, že částici je možné zachytit pouze jedním laserovým paprskem, a vyvinul optickou pinzetu, tedy zařízení, které využívá mechanického účinku fokusovaného laserového záření k prostorovému zachycování a přemísťování mikro- a nanoobjektů. Základní fyzikální princip spočívá v tom, že elektromagnetické záření je přenášeno částicemi, fotony. Ty mají hybnost, která se může při kontaktu s osvětlenou částicí měnit. Změna hybnosti je podle Newtonových zákonů spojena se silovými účinky, které se projevují pohybem částice. Paprsek musí být přiveden do extrémně ostrého ohniska, vytvářející složku síly působící proti rozptylu. Realizací optické pasti je optická pinzeta, která může zachycovat částice o velikosti v intervalu desítek nanometrů až mikrometrů.
V tomto velikostním intervalu se nacházejí viry, bakterie a další biologické buňky. Ashkin přišel na to, že optická pinzeta by se dala využít právě k jejich zachycování a manipulaci. Namísto zeleného světla je jen třeba použít záření v infračervené oblasti, aby se minimalizovalo poškození zkoumaných organismů.
Optická pinzeta se ukázala jako nedocenitelný nástroj pro biofyziky. Ti ji nyní používají k měření velikosti sil působících v biologických procesech, jako je transport organel uvnitř živých buněk, nebo ke studiu procesů, kterými jsou bakterie poháněny rotujícími flagelami. Experimentálně se to dá provést tak, že se jeden konec molekulárního motoru připojí k zachycené polystyrenové kuličce. Tato technika byla použita také ke studiu sil působících na velké biologické molekuly, jak je například DNA. To ovšem vyžadovalo připojení konců molekuly ke dvěma polystyrenovým kuličkám, které byly zachyceny ve dvou různých optických pinzetách. To umožnilo protahování molekuly.
Ashkinovi mladší kolegové, fyzici Gérard Mourou a Donna Stricklandová, zase přišli na to, jak vytvořit krátké a nesmírně intenzivní laserové pulzy. Technika CPA (chirped pulse amplification) měla původně zvyšovat výkon radarů, ale Mourou a Stricklandová ji v 80. letech minulého století použili k zesílení laserového svazku.
Tato technika je založena na časovém roztažení pulzu před zesílením a jeho následné kompresi po zesílení. CPA používá laserový zdroj, který generuje femtosekudové pulzy s velmi malou energií pouze kolem jednoho nanojoulu. Aby se získaly pulzy s energií v řádu petawatů, je potřeba je zesílit faktorem řádu 1012. Jenže při takovém zesílení se mění index lomu a začínají se uplatňovat nelineární jevy, jako je samofokusace.
V roce 1985 se dvojici letošních laureátů podařilo CPA upravit tak, že je možno tyto nelineární jevy vyřadit. Krátký pulz prochází dvěma mřížkami, které jej natáhnou v čase faktorem 100 000. Sytém je uspořádán tak, že nízkofrekvenční složka laserového pulzu prochází po kratší dráze než ta vysokofrekvenční, a pulz se tak v čase roztáhne. Protože je pulz delší, je jeho energie nižší a je možné ho zesilovat. K tomu slouží zesilovač z krystalu titan-safíru. Zesílený pulz pak prochází dalším párem mřížek, kde se rekombinuje na krátký femtosekundový pulz s energií v řádu petawatů. Praktické aplikace zdokonalené CPA jsou pak hlavně v oční chirurgii a v různých druzích mikro-obrábění.
Zpracováno podle zprávy uveřejněné v Physics World a v dalších materiálech.
Mohlo by vás zajímat:
Tření
má paměť
Přírodní
jaderné reaktory
Jak
příroda varuje před katastrofami
Ultrarychlý
grafenový bolometr