Нобелівську премію з фізики за 2018 рік отримають Артур Ашкін, Жерар Муру і Донна Стрікленд «за новаторські винаходи в галузі лазерної фізики».
Цього року Нобелівської премії удостоєні два відкриття, які революційно розширили межі сучасної фізики лазерів. Завдяки їм лазери навчилися працювати з надмалими об'єктами і надшвидкими процесами, розвиваючи феноменальну потужність. У результаті не тільки фізика, а й хімія, біологія та медицина отримали найточніші інструменти для використання у фундаментальних дослідженнях, промисловості та медицині.
Половину премії отримає американський фізик Артур Ашкін (Arthur Ashkin) з формулюванням «за оптичні пінцети і їх застосування в біологічних системах».
Оптичний пінцет, який також називають лазерним пінцетом, являє собою інструмент, що дозволяє захоплювати і з величезною точністю маніпулювати мікроскопічними об'єктами за допомогою променів лазера. Чуйні лазерні «пальці» здатні оперувати не тільки з частинками, атомами і молекулами, але і з вірусами, бактеріями і навіть живими клітинами, не пошкоджуючи їх. Оптичні пінцети Ашкіна створили абсолютно унікальні нові можливості для спостереження і управління механізмами життя. Оптичні пінцети дозволяють також вимірювати відстані і сили на нанорівні, збирати з мікрочастинок об'ємні структури. В останні роки з їх допомогою досліджують структуру і роботу білків, властивості спіралі ДНК, мікропотоки частинок в клітинах і багато іншого.
Ашкін почав експериментувати з лазером у Bell Laboratories відразу ж після його винаходу 1960 року. Він хотів використовувати радіаційний тиск світла для переміщення фізичних об'єктів і зрозумів, що лазер буде ідеальним інструментом для цього. Висвітлюючи прозорі сфери мікрометрового розміру, Ашкін виявив, що світло лазера не просто штовхає їх. Він також зміщує частинки до центру променя і утримує їх там. Так і були винайдені оптичні пінцети.
Але найважливіший прорив у дослідженнях стався 1987 року, коли Ашкін зумів оптичним пінцетом захопити живі бактерії, не заподіявши їм шкоди. У результаті він переключився на вивчення біологічних систем, що і принесло йому нобелівську премію, а оптичні пінцети тепер широко використовуються для біологічних і медичних досліджень.
Другу половину Нобелівської премії поділили француз Жерар Муру (Gérard Mourou) і канадка Донна Стрікланд (Donna Strickland) з формулюванням «за їх метод генерації високоінтенсивних ультракоротких оптичних імпульсів».
Відкриття Муру і Стрікланд дозволило генерувати найкоротші і найбільш інтенсивні лазерні імпульси. Це дало можливість вивчати надшвидкі явища, що протікають в атомах, молекулах, твердих тілах і біологічних об'єктах, які раніше здавалися миттєвими. Саме завдяки цьому відкриттю в останні роки виникла така нова область досліджень як аттосекундна фізика. Лазерні імпульси коротші за сто аттосекунд (одна аттосекунда - 10-18 с - мільярдна частина мільярдної частки секунди) показують драматичний світ електронів, що служать робочими конячками хімії. Вони відповідають за хімічні зв'язки, оптичні та електричні властивості речовини. Тепер же вони не тільки спостерігаються, а й контролюються. За допомогою аттосекундної камери можна спостерігати навіть рух електронів навколо атомного ядра.
З іншого боку, висока інтенсивність випромінювання робить лазер чудовим інструментом для зміни властивостей речовини, так електричні ізолятори можуть бути перетворені в провідники, а ультра-гострі лазерні промені дозволяють дуже точно розрізати або просверлити різні матеріали, навіть живі тканини. Щороку у світі відбуваються мільйони коригувальних очних операцій, які використовують найгостріший лазерний «скальпель».
Як кажуть самі лауреати, ідея методу прийшла до них з науково-популярної статті, в якій описувався радар. Однак перенесення цієї ідеї з радіохвиль на значно коротші світлові хвилі було важким, як у теорії, так і на практиці. Їх основоположна стаття була опублікована в 1985 році і стала не тільки першою науковою публікацією Донни Стрікленд але й основою її докторської дисертації.
Проблема отримання надкоротких лазерних імпульсів високої інтенсивності полягає в руйнуванні під їх впливом матеріалу лазера. Нова технологія Муру і Стрікланд, відома як «посилення чирпованих імпульсів» (Chirped pulse amplification, CPA), вирішила її. Ідея CPA була простою і витонченою, хоча і складно реалізованою технічно: замість безпосереднього посилення світлового імпульсу до великої інтенсивності його спочатку розтягують у часі, зменшуючи пікову потужність. Після цього імпульс можна спокійно посилити без пошкодження матеріалу. Потім імпульс стискається в часі і стає коротшим. Це означає, що вся енергія імпульсу «упаковується» в малий інтервал часу і інтенсивність імпульсу різко зростає. «Чирпованість» являє собою особливу модуляцію (перетворення) сигналу, що призводить до зміни його частоти з часом. Вона необхідна для реалізації механізму перетворень. Технологія CPA швидко стала стандартною для наступних високоінтенсивних лазерів.
Церемонія вручення Нобелівської премії пройде 10 грудня в Стокгольмі. Її розмір в 2018 році складе дев'ять мільйонів шведських крон, що трохи більше одного мільйона доларів. Половину суми отримає Ашкін, Моуру і Стрікленд дістанеться по чверті призу.
За матеріалами нобелівського комітету