Половина премии присуждена Артуру Эшкину, профессору из знаменитой лаборатории Bell, где в середине прошлого века был изобретен транзистор – «кирпичик» современной электроники. Эшкин награжден за создание оптических пинцетов и их применение в биологических системах. Вторую половину получили Муру и Стрикленд – за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. Муру работает в знаменитой парижской Политехнической школе, а также в Университете Мичигана (США). Стрикленд – профессор Университета Ватерлоо (Канада).
Интересно, что результаты премии по физике объявляются не только по-шведски и по-английски. После этого председатель комитета повторяет формулировку на немецком, французском и русском языках.
Что такое оптический пинцет и как это работает?
Эшкин придумал так называемый оптический пинцет – систему, которая позволяет брать и перемещать микроскопические объекты, вроде атомов, живых клеток или вирусов, так, как мы перемещаем мелкие видимые объекты с помощью обычного пинцета. Эти манипуляции проводятся с помощью особенным образом устроенного лазерного пучка. Микрочастица, попадая в его электрическое поле, сама становится заряженной, однако неравномерно. В результате этого она «прилипает» к особым образом сфокусированному лазерному пучку.
Оптический пинцет стал частью лабораторного оборудования для ученых, которые работают с белками, ДНК, клетками и их частями. Одновременное использование большого количества пинцетов позволяет, например, разделить клетки крови на здоровые и зараженные (это одна из надежд в борьбе с малярией).
Что такое оптические импульсы и зачем их укорачивать?
Муру и Стрикленд придумали способ обуздать лазеры. В 80-х годах люди научились получать лазеры все большей и большей мощности, однако их нельзя было использовать – из-за высокой интенсивности они превращали в плазму все на своем пути, включая воздух, и разрушали системы, через которые проходят.
В 1985 году нынешние нобелиаты придумали, как сначала растянуть лазер двумя дифракционными решетками, а затем снова собрать его еще двумя – в вакууме. Этот метод получил название усиления чирпированных импульсов.
В результате лазер куда более высокой интенсивности испускался очень короткими импульсами. Такими короткими, что представить это крайне сложно – фемтосекунда равняется 10-15 секунды, это одна квадриллионная доля секунды. Это фактически сняло все ограничения на мощности лазерных систем.
Как это помогло людям вернуть потерянное зрение?
Столь экзотические и непростые для понимания объекты на самом деле используются не только в науке, – их может встретить в своей жизни обычный человек. Точнее, они открывают обычному человеку в его жизни возможности, которые были до этого абсолютно нереальны.
Такова лазерная коррекция зрения. Метод фемтосекундной лазерной коррекции зрения (Small Incision Lenticula Extraction) удаляет часть роговицы глаза человека и тем самым корректирует близорукость.
Идея лазерной коррекции была предложена еще в 1960-е годы, однако до работ Муру и Стрикленд воплотить в жизнь ее было невозможно: длительные импульсы перегревали ткани глаз и повреждали их, а короткие были слишком слабыми для получения нужного надреза в роговице. Сегодня миллионы людей по всему миру прооперированы и вернули потерянное, казалось бы безвозвратно, зрение. Сама процедура доступна и безболезненна.
Почему сверхкороткие импульсы – изобретение будущего?
Сверхкороткие и мощные импульсы лазера используются сотнями разных способов. С их помощью наблюдают процессы в живой материи и химические реакции очень точно – ведь импульс очень короткий и позволяет зарегистрировать даже короткоживущие промежуточные состояния.
С их помощью можно резать или «протыкать» очень маленькие дыры в очень маленьких объектах (и снова – невообразимо маленьких), управляя, таким образом, свойствами материалов.
Так, например, производят хирургические стенты. Сам Муру, впрочем, видит свое открытие как изобретение будущего, главные применения которого еще впереди: это более быстрая электроника, более эффективные солнечные батареи, катализаторы, новые источники энергии и более мощные ускорители.
Последнее – не прихоть исследователей элементарных частиц: мощные, но компактные ускорители могут значительно продвинуть медицину – как терапию, так и диагностику, прежде всего, онкологических заболеваний.
Был ли Эшкин обижен на комитет?
Артур Эшкин стал самым пожилым лауреатом за всю историю премии: менее месяца назад ему исполнилось 96 лет, то есть родился он в 1922 году. Правда, судя по всему, на почетную пенсию он так и не ушел: в ответ на звонок из Нобелевского комитета он ответил, что несколько занят, потому что пишет научную статью.
Это немного напоминает реакцию эксцентричного экс-россиянина Андрея Гейма, который после известия о Нобелевке за открытие графена в 2010 году не присоединился к празднующим коллегам, а закрылся в кабинете, «потому что работать надо». Эшкин, возможно, был обижен на комитет – развивший его идеи Стивен Чу получил Нобелевку за охлаждение и удержание атомов с помощью лазеров еще в 1997 году.
Женщина-физик – нобелевский лауреат?
Донна Стрикленд молода – ей нет и шестидесяти, – зато она женщина. Третья женщина-нобелиат в истории Нобелевской премии по физике.
Первой женщиной-лауреатом по физике была Мария Кюри в 1903 году, ставшая также первой женщиной-лауреатом Нобелевской премии вообще. Затем Мария Гёпперт-Майер получила премию в 1963 году. Работу, которая принесла ей премию, Стрикленд выполнила еще в аспирантуре, работая под научным руководством Жерара Муру.
Почему лауреат-француз работал в Нижнем Новгороде?
Один из лауреатов – француз Жерар Муру – в течение нескольких лет работал в России в Университете Лобачевского в Нижнем Новгороде. Этот выбор не случаен: нижегородский Институт прикладной физики – один из крупнейших лазерных центров России. В частности, это один из двух российских научных центров, которые участвовали в ставшем знаменитым эксперименте LIGO, который зарегистрировал гравитационные волны (за это открытие Нобелевская премия по физике была вручена в прошлом 2017 году).
Муру долгое время сотрудничал со специалистами этого центра, и когда в 2010 году был объявлен конкурс так называемых «мегагрантов» – крупных грантов для привлечения ведущих ученых к работе в российских университетах, Нижегородский университет принял решение обратиться к Муру, рассказывает его коллега, заведующий кафедрой общей физики профессор Михаил Бакунов.
«Мегагрант мы получили в 2010 году, он длился три года, а потом был продлен. Так появилась Лаборатория экстремальных световых полей, где Жерар проводил по четыре месяца в году. Нам удалось создать уникальный петаваттный лазерный комплекс, который продолжает работать и сейчас», – сказал Бакунов.
Зачем физик исследовал иконы?
«Жерар – увлекающийся человек с очень широким кругом интересов, поэтому он не только придал импульс развитию лазерных систем в нашем городе, но начал новые интересные применения. В частности, мы начали исследование предметов искусства с помощью терагерцового излучения – его можно генерировать с помощью лазера. Это излучение с длиной волны 300 микрон, что-то среднее между светом и микроволнами. С помощью этого излучения можно заглядывать внутрь непрозрачных предметов. Наши аспиранты ездили в Лувр исследовать фрески, а здесь мы вместе с Жераром исследовали иконы.
У одной из икон был дефект на поверхности непонятного происхождения. Мы его исследовали и помогли, таким образом, определить оптимальную стратегию реставрации и консервации. А однажды Жерар позвонил мне из Москвы и рассказал, что он в соборе Василия Блаженного, где поздние фрески и штукатурку сбивают, чтобы найти более ранние, – а ведь это можно было бы сделать без разрушения, с помощью терагерцового излучения!
Сейчас он развивает мысль уничтожать космический мусор с помощью лазеров, на эту тему уже была конференция. У него есть работы по хирургии глаза с помощью фемтосекундного лазера, они были сделаны в Мичигане. Несмотря на возраст, Жерар – человек, который постоянно фантазирует и выдает идеи», – продолжает Бакунов.
Что позволило 74-летнему лауреату переплыть Волгу?
Как оказалось, бодрость, перелеты и активная работа в 74 года не обошлись без спорта. По словам его коллеги, Муру проплывает каждый день по километру – в бассейне или в открытой воде. А однажды даже переплыл Волгу ниже Нижнего Новгорода.
«Он очень доступный человек. Когда он сидел у нас на кафедре, любой студент или аспирант мог подойти к нему и поговорить про физику. Хотя Жерар и тогда уже был научной величиной мирового уровня», – подытожил ученый.