Нобелевские физики 2018

Изменено: 20.10.2018 Posted on

ФИЗИКИ в 2018 отметили прикладные технологии в области физической оптики, в официальном пресс-релизе Нобелевского комитета, «чрезвычайно маленькие объекты и невероятно быстрые процессы можно наблюдать в новом свете. Превосходные прецизионные инструменты открывают неизведанные области исследований и множество промышленных и медицинских применений», как в 2014 году, 3 японских изобретателей синих светодиодов, после ряда «фундаментальных» 2015, 2016 и 2017 годов .

Артур Эшкин, сын Ашкенази из Одессы — царской России, до 1992 года возглавлял отдел физической оптики и электроники Лабораторий Белла (Bell Labs) и в 96 лет стал самым старым и единственным, получившим нобелевскую, на десятом десятке жизни (Леонид Гурвич в 90 лет стал лауреатом «близкой» премии имени Нобеля по экономике 2007), за «оптический пинцет». «За разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов» с 1985 года — усиление чирпированных  сверхмощных лазерных импульсов дали профессору парижской Политехнической школы и заслуженному профессору в отставке Мичиганского университета Жерару Муру 74 лет и его бывшей аспирантке Донне Стрикленд — до шестьдесяти, пенсии, возглавляющей группу сверхбыстрых лазеров, с 1997 года в должности assistant и associate professor (младшего) канадского Университета Уотерлу (на вопрос 2 октября корреспондента Би-Би-Си, почему она не стала полным профессором, новый Нобелевский лауреат ответила “I never applied”). Им впервые удалось создать источник ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности без уничтожения рабочей среды лазера. Усиление импульса разрушало системы до их чирпирования (Chirped Pulse Amplification, CPA) — фемтосекундных лазеров заметной мощности.

В традиционном прогнозе, публикуемым в сентябре Clarivate Analytics, списке Citation Laureates, составляемом с 2002 года, из 17 самых цитируемых в своих областях вероятными кандидатами на Нобелевскую премию 2018 года по физике CA названы Дэвид Авшалом из Чикагского и Артур Госсард из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) за наблюдение спинового эффекта Холла в полупроводниках;  Сандра Фабер из Калифорнийского университета в Санта-Крус (США) за методы определения возраста, размера галактик и расстояния до них; Юрий Гогоци из университета Дрекселя (США), Родни Руофф из Национального института науки и технологий Ульсана (Южная Корея) и Патрис Симон из университета Поля Сабатье (Франция), за получения углеродных материалов и суперконденсаторов. Но, похоже, пока они разделяют судьбу наноТ, несмотря на нобелевские по химии и физике за фуллерены и графен (2010). Очередная премия снова в области лазеров.

Эшкин (от Ашкен-ази) — пионер в области создания оптических ловушек, автор 47 патентов, известен и в областях фоторефракции, генерации второй гармоники и нелинейной оптики в волокнах. Его изобретение — оптические пинцеты, могут манипулировать частицами, атомами, вирусами и живыми клетками посредством лазерного света, реализуя его давнюю научно-фантастическую мечту — использовать давление излучения для передвижения физических объектов. Толкая частицы при помощи лазерного света к центру луча, он смог удерживать их там, как в ловушке, изобрел оптический пинцет, в 1987 использовал его для удержания живых бактерий без причинения им вреда, начал изучать био-объекты, системы и механизмы жизни, что сегодня используют повсеместно.

Идею давления света   еще в “De Cometis Libelli Tres” 1619 года выдвинул Кеплер, для объяснения направления вида — хвостов комет от Солнца, обратно притяжению. В 1950-х к нему добавили и давление частиц — солнечного ветра, для света же отталкивание, например, Земли в шестьдесят триллионов раз меньше солнечного притяжения. Другой механизм – испарение материала и реактивное ускорение гораздо больше оптического давления, использовали и после открытия квантовых оптических генераторов — лазеров для перемещения частиц, в СССР Аскарьян и Мороз, в ЖЭТФ, 1962. Но подобные способы разрушающие, а только оптические дают неразрушающий манипулятор.

Связь света и электродинамики в 19 веке развили натурфилософы и учившийся у Шеллинга Эрстед, Гельмгольц и Фарадей, за десяток лет открывшие электромагнетизм, индукцию и связи — «сохранение сил». Максвелл вывел их уравнения и давления любого электромагнитного излучения в 1873 г., что после Герца в 1899–1901 годах экспериментально подтвердили профессор Московского университета Петр Николаевич Лебедев и американские физики Эрнст Фокс Николс (Ernest Fox Nichols) и Гордон Ферри Халл (Gordon Ferrie Hull). Это отражает и вектор э-м энергии Умова-Пойтинга, и в 1905 году Джон Генри Пойнтинг (John Henry Poynting) в президентском послании Британскому физическому обществу отметил эксперименты по определению величины светового давления с очень малым эффектом, «исключающим его из рассмотрения в земных делах».

Но тогда же Планк и Эйнштейн развили идею квантов света и созданные через полвека квантовые генераторы — лазеры смогли фокусировать свет в пятно диаметром до длины волны, в тысячи раз превышая интенсивность видимого спектра Солнца, и ускорять частицы до миллион g. Эта техника развилась из радио и микроволновой спектроскопии и области ИК, переходя от микро- к нанометрам, от мазеров Таунса и наших лауреатов НП-1964 к лазерам.

В мае 1960 года исследователь фирмы Hughes Research Laboratories Теодор Майман (Theodore Maiman) запустил первый лазер на искусственном рубине. Спустя полгода инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана сделали в лабораториях корпорации IBM  Питер Сорокин (P.Sorokin) и Мирек Стивенсон (M.Stevenson), а в декабре 1960 года исследователи Белловских Лабораторий Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William Bennett) и Дональд Хэрриот (Donald R. Herriott) демонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсюду применяется и сейчас.

Артур Эшкин там же в остроумных экспериментах использовал эти лазеры для световых ловушек, удержания микрообъектов, оптического пленения диэлектрических частиц величиной в десятки нано- и микрометров (A. Ashkin et al., 1986. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, на трех журнальных страницах).

Рис. 2. Cхема удержания частицы Ми

Рис.1986: Слева — схема удержания частицы Ми (небольшое сферическое тело из диэлектрического материала, радиус которого во много раз превышает длину волны, см. Mie scattering), находящейся в воде, в лазерной ловушке. Преломление лучей устроено так, что результирующая сила FA, возникающая из-за передачи импульса от лучей к частице, направлена вверх (навстречу лучу лазера). Справа — фотография реального эксперимента, в котором сфера диаметром 10 мкм удерживается таким образом. Виден ход лучей лазерного пучка до и после рассеяния на сфере.

Световые ловушки Эшкина со временем назвали оптическими пинцетами (или лазерными пинцетами, optical tweezers, laser tweezers). Ими удерживают микро- и нанообъекты, могут передвигать их, поворачивать и резать на части, в молекулярной биологии, геномике, вирусологии. А за лазерное — торможение — охлаждение нейтральных атомов до сверхнизких температур бывший сотрудник Эшкина и соавтор Стивен Чу (Steven Chu) с Уильямом Филлипсом (William Daniel Phillips) и фр. Клодом Коэн-Таннуджи (Claude Cohen-Tannoudji) стали Нобелевскими лауреатами 1997 года.

Александр Шалин, руководитель Международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО, об Идее оптического пинцета-

в области перетяжки лазерного пучка интенсивность излучения максимальна, а градиентная оптическая сила действует по направлению к большей интенсивности и в перетяжке пучка частица оказывается в ловушке и перемещается с пучком (Если поляризуемость частицы отрицательна, частица может, наоборот, выталкиваться из пучка, но это сложнее реализовать и большинство практических применений реализует первый вариант).

Это привело к революции в области микротехнологий, неразрушающим методам перемещения и связи малых объектов, соединения их, манипулирования микро- и наночастицами, атомами и молекулами, выстраивания структур на поверхности и в объеме, при помощи так называемых голографических пинцетов, способных захватывать сразу множество частиц. В биологии и медицине это один из немногих методов манипуляции, позволяющий реализовать неразрушающий захват, перемещение и исследование клеток вирусов и так далее.

Перспективы развития оптических пинцетов и тенденции миниатюризации устройств видят в  селективных химических реакций в микроканалах, в терапевтических целях, например, для очистки крови, производства искусственных материалов и так далее.

Рис. 3. Захват эритроцита в капилляре живой мыши при помощи оптического пинцета

Рис. 3. Захват эритроцита в капилляре живой мыши при помощи оптического пинцета. На первом кадре (a) просматриваются очертания капилляра, но отдельные клетки не видны из-за высокой скорости тока крови в направлении стрелки. На последующих эритроцит застревает в месте фокусировки лазерного излучения (белые риски), ток крови замедляется, и можно увидеть и другой эритроцит, проплывший мимо, с видео. из статьи M.-C. Zhong et al., 2013. Trapping red blood cells in living animals using optical tweezers

Новая техника сверхмощных лазерных импульсов, перспективных систем в различных областях, от физики до лазерной коррекции зрения

Жерар Мур и Донна Стрикленд развили лазерную технику в более серьезном энергетическом масштабе, более эффективный способ увеличения мощности импульсов (см.: В погоне за петаваттами, «Элементы», 10.10.2018).

С открытием лазеров «гонка вооружений» увеличила интенсивность излучения с 1010 ватт/смв 60-х на пять порядков, но рост замедлился до 1985 года, когда сотрудники Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета Жерар Муру и Донна Стрикленд тогда в США опубликовали тоже трехстраничное описание своего метода (D. Strickland, G. Mourou, 1985. Compression of amplified chirped optical pulses). Мощность лазерных импульсов вновь пошла в рост и достигает уже 1023 ватт/см2.

Суть их метода — Ультракороткий лазерный импульс пропускают через пару диффракционных решеток, которые на несколько порядков растягивают его во времени (в своих первых экспериментах Муру и Стрикленд использовали для этого оптоволоконный кабель, но решетки оказались эффективней). В результате пиковая энергия электрических полей лазерного импульса падает настолько, что он проходит через оптический усилитель (для этого обычно используют сапфир, допированный ионами титана), не нарушая его кристаллической структуры. Многократно усиленный импульс пропускают еще через пару диффракционных решеток, и они сжимают его до исходной протяженности. На выходе получается очень короткий импульс чрезвычайно высокой интенсивности (рис. 4). Уже первые эксперименты по применению этого метода привели к созданию пикосекундных лазерных систем тераваттной мощности. Дальнейшее оказалось делом техники — и, конечно, изобретательности.

Рис. 4. Схема усиления чирпированных лазерных импульсов

Рис. 4. Схема усиления чирпированных лазерных импульсов. Исходный короткий лазерный импульс (А) растяшивается при помощи пары дифракционных решеток (B), в результате чего его интенсивность падает (С) и его можно усилить в обычном усилителе (D). Обратное сжатие (опять при помощи пары дифракционных решеток, E) порождает короткий импульс очень высокой интенсивности (F). Рисунок с сайта en.wikipedia.org, с изменениями

Область применения ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов — от экспериментов в области фундаментальной физики до хирургического лечения близорукости и астигматизма.Алексей Левин «Элементы», 10.10.2018. См.:

В погоне за петаваттами,

Гигаватты при небольшой энергии дали методы генерации коротких импульсов, Дж за наносекунду (1 нс = 10−9 с), но лазерное излучение начинало разрушать кристаллы, его усиление. Естественное увеличение поперечных размеров кристаллов, чтобы размазывать мощность по большей площади, уменьшая тем самым интенсивность излучения, ограничено получением кристаллов размером в десятки сантиметров. Надежды на управляемый термоядерный синтез, позволили в середине 1970-х годов создать в Ливерморской национальной лаборатории (США) лазерную систему Janus из двух лазеров (или, как их принято называть, каналов) пиковой мощности в 1 тераватт (1012 ватт). Длительность импульсов  0,1 наносекунды требовала энергии порядка 100 Джоулей. Там же в 1977 году практически аналогичный лазерный комплекс Shiva, уже с 20 каналов в 10 раз увеличил выходную мощность излучения: каждый лазерный луч содержал порядка 500 Дж в импульсе длительностью около наносекунды, что в сумме давало 10 тераватт мощности.

Лазерная установка Shiva

Слева — система труб усилителя лазерной установки Shiva. Некоторые сцены фильма Трон (1982 года) снимались в этом зале. Справа — внутренности камеры, в которой происходило облучение мишеней (они закреплялись на кронштейн, свисающий сверху). Выступащие внутрь камеры трубки — различные детекторы. Фото  en.wikipedia.org

Следующим этапом  стало создание в 1984 году лазерной системы Nova. При 10 каналов удалось увеличить энергию импульсов и за 2–4 наносекунд энергии в 10 килоджоулей мощность каждого увеличилась до нескольких тераватт, а в целом 50 тераватт,  для более эффективного запуска термоядерных реакций преобразовывались в ультрафиолет мощностью около 16 тераватт.

Растянуть, усилить, сжать

Тогда приехавший из Франции профессор Рочестерского университета Жерар Муру и его аспирантка Донна Стрикленд опубликовали принципиально иной подход к достижению рекордно высоких мощностей (D. Strickland, G. Mourou, 1985. Compression of amplified chirped optical pulses)- «усиление чирпированных импульсов» (chirped pulse amplification, CPA), от английского chirp — чириканье.

Жерар Муру и Донна Стрикленд в лаборатории Рочестерского университета

Жерар Муру (1987 год) и Донна Стрикленд (1985 год) в своей лаборатории в Рочестерском университете. Фото с сайта rochester.edu

Половина Нобелевской

Чирпированными называют импульсы, разделяющие составляющие их частоты во времени —  низкие-высокие, как в трели птиц, сначала издающих более низкие звуки, постепенно повышая их тон. В русскоязычной литературе такие импульсы называют частотно-модулированными (ЧМ).

Основная идея метода заключается в том, чтобы увеличить длительность усиливаемых лазерных импульсов без изменения их частотного состава. Это достигается за счет пропускания через системы с дисперсией, как пары призм или дифракционных решеток, в которых скорость распространения света зависит от его частоты. Более низкие частоты распространяются быстрее, чем более высокие, импульс на выходе он приобретает «чирп» и становится длиннее.

Схема работы метода CPA

Схема работы метода CPA. Лазерный импульс на паре дифракционных решеток растягивается, приобретая чирп, затем усиливается, и сжимается обратно на второй паре дифракционных решеток. В результате его мощность многократно возрастает. Рисунок из пресс-релиза Нобелевского комитета

Ж. Муру продемонстрировал, что чирпирование позволяет увеличивать длительность импульсов в тысячи раз (M. Pessot, P. Maine, G. Mourou, 1987. 1000 times expansion/compression of optical pulses for chirped pulse amplification). Сейчас на практике удается получить удлинение даже в сотни тысяч раз: импульсы длительностью в 20–30 фемтосекунд (1 фс = 10−15 с) растягиваются до нескольких наносекунд, пропорционально падает и мощность лазерного импульса, что позволяет продолжить его усиление в кристаллах. Частотный состав импульса сохраняется, что позволяет в дальнейшем сжать импульс обратно, пропустив его через диспергирующую систему, обратную первоначальной, — то есть такую, в которой наоборот, более высокие частоты бегут быстрее более низких.

Критически важным для метода CPA, что при отражении материалы способны выдерживать значительно более высокие интенсивности излучения, чем при его распространении внутри того же материала и окончательное сжатие лазерного импульса, — компрессор выполняют на основе дифракционных решеток, работающих на отражении.

Эдуард Агеев, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО: «прямое» усиление лазерного импульса, увеличение его энергии, при сверхкороткой — фемтосекундной длительности, например, за счет увеличения числа проходов в резонаторе, повреждает оптические элементы, с нелинейными эффектами (самофокусировка, пробой). Поэтому перед усилением импульс «растягивается» во времени, а после усиления — «сжатие» реализуют парой дифракционных решеток.

Практические применения — прецизионная (микро-  и нано-) обработка материалов, офтальмологические операции (лазерная коррекция зрения, так называемый фемто-LASIC), оптическая томография и микроскопия, области нелинейной квантовой электродинамики, релятивистское взаимодействие излучения с веществом и генерация высших гармоник (взаимодействием излучения с атомами инертных газов) основной частоты, от суперконтинуума (так называемый белый лазер) до областей вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, современной фотолитографии и наноТ.

В видео физико-технического факультета Университета ИТМО на вопросы отвечает с.н.с. Сергей Макаров.

Нобелевская

 

 

 

 

Открыв новый лазерный материал с уникальными характеристиками — титан-сапфир, оксид алюминия в виде минерала корунда, легированный ионами титана (P. F. Moulton, 1986. Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3), смогли обеспечить генерацию лазерных импульсов длительностью всего в 20–30 фемтосекунд и современный рекорд 5 фс (S. Sartania et al., 1997. Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate). Для сравнения: период электромагнитной волны оптического диапазона составляет 2–3 фс, то есть титан-сапфировые лазеры способны создавать импульсы, содержащие меньше десятка периодов.

Что сейчас и дальше

Такие лазеры сверхвысокой мощности и сверхкороткой длительности оказались компактными и относительно недорогими, широко распространились. В канале системы Nova CPA достиг мощности 1,25 петаватта (D. M. Pennington et al., 1997. Petawatt laser system). 1,5 петаватт (M. D. Perry et al., 1999. Petawatt laser pulses) держался более 10 лет. В 2016 году китайская лазерная система SULF (Superintense Ultrafast Laser Facility) достигла мощности излучения почти 5,5 петаватт (Z. Gan et al., 2017. 200 J high efficiency Ti:sapphire chirped pulse amplifier pumped by temporal dual-pulse).

Главным ограничивающим фактором теперь стал размер сжимающих импульс дифракционных решеток, десятки сантиметров с штрихами субмикронной толщины. О старой идее — свести в точке излучение нескольких петаваттных лазеров заговорил все тот же Ж. Муру, инициировавший в конце 2000-х годов проект создания целой сети мощных лазерных комплексов следующего поколения Extreme Light Infrastructure (см. клип, снятый Муру и его коллегами для продвижения — ELI Whitebook).

В 2012 году похожий проект 200-петаваттной системы был предложен от Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, А. М. Сергеевым (тогда зам. директора ИПФ РАН, а ныне — Президент РАН) — XCELS класса MegaScience,  сведение в точку 12 каналов мощностью по 15 петаватт каждый (см. XCELS Project Summary), когда Ж. Муру  в 2010–2014 годах возглавлял лабораторию в Нижегородском государственном университете по программе так называемых мегагрантов (Лаборатория экстремальных световых полей). Китайский проект Station of Extreme Light (SEL) предполагает создание системы из четырех каналов мощностью 30 петаватт каждый. В США финансирование относительно небольших установок петаваттного и мультипетаваттного уровня, однако в Рочестерском университете предложено создать лазерную систему OPAL (Optical Parametric Amplifier Line) с одним каналом, но на основе составных дифракционных решеток, для 75 петаватт.

От открытия до премии

Жерар Муру в 1988 году перебрался в Мичиганский университет, в середине 2000-х возвращается во Францию и инициирует целый ряд новых проектов, кроме ELI, создание лазерной системы на основе когерентного сложения излучения миллионов волоконных систем (ICAN, International Coherent Amplification Network, см. T. Tajima et al., 2013. ICAN: The Next Laser Powerhouse), и для сведения с орбиты космического мусора (R. Soulard et al., 2014. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal).

Донна Стрикланд после получения степени PhD вернулась в родную Канаду, в группу еще одного известного специалиста в области лазерной физики Пола Коркума — три года назад компания Thomson Reuters называла его в числе потенциальных кандидатов в лауреаты Нобелевской премии (см. Кто получит Нобелевские премии — по прогнозу Thomson Reuters) за создание метода генерации импульсов аттосекундной длительности (1 ас = 10−18 с).

Альтернатива ускорителям

Из приложений. Малое пятно радиусом 1 микрон (дальнейшее уменьшение размера пятна невозможно из-за дифракции) в фокусе даст интенсивность около 1023 Вт/см2 (текущий 1022 Вт/см2). В теории плазмы есть Тосико Тадзимы и Джона Доусона идея лазерно-плазменного ускорения электронов (T. Tajima and J. M. Dawson, 1979. Laser Electron Accelerator). Пока- для генерации пучков энергичных частиц: электронов, протонов и других ионов, как альтернатива традиционным ускорителям, работающим на основе радиочастотных резонаторов, сверхмощные лазеры дают гигаэлектрон-вольт на расстоянии порядка нескольких сантиметров, как вакуумная труба длиной в сотни метров (Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения, «Элементы», 17.08.2011). Перспективным применением ускоренных электронов является генерация сверхъяркого рентгеновского излучения, с помощью которого можно проводить фазо-контрастную рентгенографию, востребованную в медицине (см. популярную лекцию Как собрать в точку квадриллион ватт энергии и спасти чью-то жизнь).

Для лазерного ускорения протонов и ионов скромнее: текущий рекорд энергии 100 мегаэлектрон-вольт (Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским, «Элементы», 02.06.2008),  более быстрые протоны — с энергией около 200–400 МэВ — можно было бы использовать для протонной лучевой терапии. Сейчас же они находят свое применение в основном для протонографии и сверхбыстрого нагрева вещества до высоких температур, позволяющего изучать состояния с высокой плотностью энергии, характерные для недр планет и звезд, и для конверсии в нейтроны, создав сверхъяркий источник для нейтронографии и нейтронной физики, разбираться с плохо изученным r-процессом (быстрый захват нейтронов тяжелыми ядрами) нашей Вселенной,  элементов тяжелее никеля (Создан самый яркий лабораторный источник нейтронов, «Элементы», 31.10.2014).

При мощности в десятки петаватт можно изучать квантовые свойства вакуума, рождать высокоэнергичные гамма-фотоны, «распадающиеся» на электрон-позитронные пары. За времена меньше оптического периода плотность образующейся плазмы может достичь невероятных 1026 см−3 — КЭД в сильно нелинейном режиме взаимодействия (см.: A. Gonoskov et al., 2017. Ultrabright GeV Photon Source via Controlled Electromagnetic Cascades in Laser-Dipole Waves; E. S. Efimenko et al., 2018. Extreme plasma states in laser-governed vacuum breakdown; Ученые нашли метод получения экстремально плотной электрон-позитронной плазмы).См. также:
Нобелевская премия по физике — 2018, «Элементы», 09.10.2018.Артём Коржиманов