«Лазерный пинцет» и «ультракороткие оптические импульсы»: объясняем открытия Нобелевских лауреатов по физике

Нобелевскую премию по физике вручили трем исследователям – за достижения в области лазерной оптики. Артур Эшкин получил приз за «лазерный пинцет», которые теперь активно применяют в сфере биологии. Жерар Мур и Донна Стрикленд – за метод получения ультракоротких оптических импульсов. По словам организаторов, эти открытия произвели революцию в физике. InfoResist рассказывает, что это за устройства и почему они так важны для человечества. 

BREAKING NEWS⁰The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Physics 2018 “for groundbreaking inventions in the field of laser physics” with one half to Arthur Ashkin and the other half jointly to Gérard Mourou and Donna Strickland. pic.twitter.com/PK08SnUslK

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 2, 2018

Оптический пинцет

Оптический пинцет – это специальное устройство, которое позволяет перемещать вещество при помощи света. То есть, прибор дает возможность захватить физический объект размером всего несколько микрон с помощью потоков поляризованного и узконаправленного света, которые выполняют функцию микроскопического пинцета. 

Вся эта технология больше похожа на рассказ о технологиях будущего из научно-фантастического романа. Оптический прибор нашел применение в сфере изучения белков и их принципов работы. Молекулы этого вещества настолько малы, что их нельзя рассмотреть даже в самый современный микроскоп. 

Кроме того, оптическим пинцетом можно захватывать живые клетки, вирусы и даже отдельные атомы.

Еще в студенческие годы Артур Эшкин задумал создать так называемую световую ловушку, которая удерживала бы физические объекты при помощи давления потока излучения. Спустя время, ученый смог создать оптический пинцет, который позволяет захватывать и рассматривать микроскопические частицы, атомы, вирусы, бактерии и другие живые клетки, не повреждая их.

За свои научные труды Эшкина не раз награждали престижными премиями, включая награду Американской национальной академии наук. При этом до своего 96 летия он так и не стал лауреатом Нобелевской премии. Хотя еще в 1997 году премия была присуждена за разработку методов охлаждения и удерживания атомов при помощи света лазера.

Его коллега Стивен Чу вошел в число трех нобелевских лауреатов. Позже Артур Эшкин заявил, что почувствовал себя обделенным вниманием комитета, посколько он обучал Чу создавать световые ловушки. 

Как используют? 

Раньше для того, чтобы исследовать какую-либо клетку, биологи должны были брать ее пинцетом для отделения от остальных. Однако клетку очень легко было повредить. Теперь если использовать оптический пинцет Эшкина, клетка не повредится, ведь сила захвата в этом случае невелика и очень хорошо регулируется. Можно предположить, что клетка перегреется под действием света, но этого тоже не будет именно из-за того, что у нее огромная поверхность по отношению к ее объему. Более того, в работах Ашкина было показано, в оптическом пинцете клетки могут даже размножаться.

С помощью оптического устройства уже сделано множество удивительных открытий в биологии. На микроскопическом уровне они сейчас просто незаменимы. С их помощью, в частности, выяснили, что белки, обеспечивающие внутриклеточный транспорт и сокращение мышц (кинезин и миозин), работают «шагами». Был измерен размер этих шагов и сила, развиваемая этим «моторами». С помощью этих пинцетов даже можно двигать предметы, расположенные за непроницаемой преградой, в случае, если она прозрачна для света. 

Ультракороткие оптические импульсы

Вторые лауреаты Нобелевской премии – Стрикленд и Муру – создали технологию, которую активно используют в лазерной хирургии. Ее название – «усиление чирпированных импульсов» (CPA). Устройство дает возможность делать разрезы и отверстия с помощью лазера на любой поверхности, включая кожу человека. Так, ученые сначала растянули лазерный луч, затем его усилили, а после вновь сжали. Получившийся в результате мощный ультракороткий световой импульс измеряется фемтосекундами – то есть квадриллионными долями секунды. К слову, за этот же временной промежуток свет проходит расстояние менее микрометра (это можно сравнить с размером вируса). 

Кроме того, это позволяет исследовать вещество в состоянии, которое недостижимо на Земле — можно исследовать процессы, которые могут протекать только внутри звезд. Это способно открыть нам совершенно новые тайны мироздания.

В быту подобные устройства не используют – они имеют очень высокую мощность излучения. Однако встретиться с технологией в жизни обычный человек может, например, такие лучи используют в офтальмологии.