Инструменты из света

Нобелевская премия 2018 года по физике вручена за работы в области оптики. Артур Эшкин изобрел неоценимый в биологических исследованиях лазерный пинцет, который позволил удерживать на месте живые микроскопические объекты, не вредя им, а Жерар Муру и Донна Стрикленд разработали способ получать очень быстрые и мощные лазерные импульсы, которые могут испарять твердые материалы и делать многое другое. Рассказываем про то, как устроены и чем отличаются друг от друга нобелевские лазерные технологии. 

Лазеры, то есть оптические квантовые генераторы света, были изобретены в 1960 году и стали основой для множества самых разных технологий. С их помощью можно считывать данные с компакт-дисков, резать различные материалы (и даже живые ткани при операциях), ими измеряют расстояния и передают информацию с невиданными ранее скоростями. За лазеры и связанные с ними работы самую известную в науке премию присуждали неоднократно (например, Жорес Алферов получил награду 2000 года за структуры, ставшие основой полупроводниковых лазеров), и в этом году Нобелевский комитет решил отметить еще две совершенно разные области лазерных технологий — технику получения сверхкоротких импульсов, которую используют сегодня все современные импульсные лазеры сверхвысокой мощности, и лазерный (или оптический) пинцет.

Лазерный пинцет позволил ученым захватывать и перемещать в нужном направлении отдельные клетки, бактерии и даже вирусы. Этот метод существенно облегчил биомедицинские исследования.

Сверхкороткие лазерные импульсы, в свою очередь, нашли применение не только в исследовательских задачах. Импульсные лазеры, как отметил Нобелевский комитет, сегодня широко используются в микрохирургии глаза, включая ставшие рутинными операции по коррекции близорукости. Получать короткие импульсы света умели и раньше, но именно работы Муру и Стрикленд позволили усиливать их до требуемых на практике значений. Сравнительно скромная энергия, поделенная на крайне малое время и распределенная по очень малой площади, дает фантастическую мощность: современный импульсный лазер может выдать несколько петаватт, то есть на доли секунды мощность излучения превышает суммарную мощность электростанций Земли в тысячи раз.

Подвесить в луче света

К 1970 году, когда Эшкин представил свою разработку на страницах Physical Review Letters, физики давно знали про открытое Петром Лебедевым давление света. Свет оказывает давление на частицы, и идея Эшкина заключалась в том, что внутри лазерного пучка силы, действующие на микроскопический объект, будут подталкивать его к середине луча и, таким образом, удерживать на месте.

Как это работает: электрические силы

Луч света — это электромагнитная волна, то есть колебания электрического (и магнитного) поля. В электрическом поле при прохождении волны возникают области как меньшей, так и большей напряженности, а законы электромагнетизма гласят, что внесенная в луч частица окажется наэлектризована и будет двигаться в сторону большей напряженности поля — по градиенту, как говорят физики.

Так как в центре пучка возникают самые большие значения напряженности поля, то именно туда и сдвигаются в итоге не слишком крупные (до 10 микрометров в поперечнике) объекты. Если еще направить два луча навстречу друг другу, то предмет вдобавок не будет «сдувать» давлением света. Эта конструкция носит название оптической ловушки, и в ней при определенных условиях можно подвесить даже отдельные атомы. Кстати, последним воспользовался ученик Эшкина Стивен Чу, которого в 1997 году наградили Нобелевской премией совместно с Клодом Коэном-Таннуджи и Уильямом Филипсом, — манипуляции отдельными атомами позволили создать особо точные атомные часы и в принципе открыли экспериментаторам массу новых возможностей.

Ловушка для атомов, впрочем, существенно отличается от лазерного пинцета — хотя бы тем, что она работает в вакууме. Пинцет же может манипулировать объектами даже внутри жидкости, то есть им можно подцепить живую клетку. Поначалу последнее казалось не столь революционным, как возможность управлять отдельными атомами, но через два десятка лет стало очевидно: лазерный пинцет имеет массу интересных применений.

Что это дает

Эшкин в своем первом эксперименте подвешивал в луче света простые латексные микросферы — объект, годный исключительно для демонстрации эффекта. Но биологи нашли оптическому пинцету массу куда более интересных применений — например, манипуляция отдельными клетками. В 1987 году Эшкин с коллегой успешно пересадили бактерии из одного образца в другой при помощи инфракрасного лазера; в тот же год схожий опыт был проделан с вирусами.

Кроме чисто технической задачи «взять клетку/бактерию/вирус и куда-нибудь переместить» (подобно тому, как переставляются, скажем, пробирки в ходе опыта) лазерные лучи позволяют сделать еще кое-что. Разные клетки имеют разные оптические свойства, поэтому один и тот же пинцет будет по-разному с ними взаимодействовать. Соответственно, на этом принципе можно собрать автоматическую установку для сортировки клеток и получения однородного образца из имеющейся в распоряжении смеси. А недавно из искусственных микроскопических пузырьков биологи при помощи лазерного пинцета собрали целую сеть, которая может стать основой для сложных биохимических систем — от искусственных клеток до диагностических устройств.

Можно смело сказать, что оптический пинцет Эшкина позволил прикоснуться к тому, что до этого потрогать было просто невозможно. Сдвинуть бактерию на несколько микрометров в сторону, потыкать в живую клетку для определения механических свойств (упругости, например) и при этом не повредить ее — такие задачи либо не решались традиционными манипуляторами вовсе, либо решались с гораздо большими сложностями. Кроме того, оптическим пинцетом можно очень точно и при этом бережно удерживать изучаемый объект на одном месте, а это в сочетании с флуоресцентными метками (отдельными молекулами) позволяет следить, например, за поведением даже не конкретных биологических молекул, а буквально отдельных их частей. Для ученых, которые хотят изучать какой-либо внутриклеточный процесс на молекулярном уровне, оптический пинцет оказывается в ряде случаев чем-то вроде тисков для мастера: не закрепив детали, работы не сделаешь.

***

Сегодняшняя премия Эшкина, кроме знакомства с замечательным техническим достижением, подсвечивает для нас и чисто человеческую сторону научных изысканий. Эшкин написал первую статью о пленении частиц в луче света еще в 1970 году, но особенного успеха поначалу не добился, и Bell Labs, сотрудником которой он тогда был, к концу десятилетия урезала финансирование его исследований. Эшкин не бросил, однако, своей затеи, заразил своим энтузиазмом только пришедшего в лабораторию молодого Стивена Чу. Тот добился успеха со своей установкой и смог подвесить отдельные атомы в 1985-м, а когда получил за это Нобелевскую премию, Эшкин остался за бортом и не скрывал своего расстройства: широкая публика зачастую узнавала его как «члена команды Чу», в то время как Эшкин занимал такую же позицию в лаборатории, да и, по его же словам, «научил Чу делать эти ловушки». Сегодня ученому уже 96 — он самый старый лауреат премии за всю ее историю! И когда журналисты Guardian дозвонились до него, дабы получить комментарий, тот не особенно пылал желанием тратить свое время — работал над очередной научной статьей.

Подрезать лучом света

Общий принцип: растянуть, усилить, сжать

История второй половины сегодняшней премии, которую поделили Жирар Муру и Донна Стрикленд, начинается в середине 80-х. В своей статье для журнала Optics Communications Муру и Стрикленд описали решение проблемы, которая на тот момент встала перед конструкторами импульсных лазеров: при достижении определенного уровня мощности свет начинает самофокусироваться, собираться в компактный жгут. В этом жгуте возникают плазменные сгустки, способные прожечь зеркала, линзы и другие элементы лазера. «Со схожей проблемой получения коротких импульсов с большой энергией, — отмечали исследователи, — сталкиваются при создании радаров, и там решением служит растягивание импульса во времени перед его усилением».

Решение «сделать импульс более длительным, усилить его и затем снова сжать» было реализовано физиками в своем пионерском эксперименте: они сначала удлиняли импульс, делали его растянутым во времени и не столь интенсивным, а потом направляли его в усилитель и затем на дифракционную решетку, которая снова сокращала продолжительность импульса.

По шагам: растягиваем…

Дифракционная решетка — ключевой объект в предложенном Муру и Стрикленд методе. Пластина, на которую нанесены параллельные микроскопические полосы — самым простым и доступным примером является компакт-диск, нужна для для растягивания импульса во времени. Электромагнитные волны, падая на такую решетку, в зависимости от длины волны отклоняются в разных направлениях, и поэтому белый свет даст радужный блик, а разноцветные лучи могут быть, наоборот, собраны вместе.

…усиливаем растянутое…

Усилитель света — это, по сути, тот же лазер, некое пространство, где часть атомов переведена в возбужденное состояние. Свет, проходя через такую среду, не поглощается, а выбивает из атомов кванты той же частоты, в результате чего сигнал усиливается. Оптические усилители к моменту публикации работы Мура и Стрикленд были, разумеется, давно известны, однако наращивать ими мощность импульсов без дополнительных ухищрений не получалось.

…сжимаем

Для сжатия импульса снова используется дифракционная решетка — просто на этот раз лучи направлены так, что они не расходятся еще больше, а собираются вместе. Таким образом, открытие, принесшее французскому физику и его канадской коллеге (на тот момент еще аспирантке, оригинальная статья в Optics Communications — ее первая научная публикация!) одну из самых престижных научных наград, сводится к комбинации двух эффектов: взаимодействия света с дифракционной решеткой и связи длины импульса с его частотными характеристиками.

Почему свет вообще можно растягивать и сжимать?

Любой импульс света ограничен не только во времени, но и в пространстве: спецэффекты «Звездных войн» в принципе не очень ошибаются, изображая стрельбу из лазерного оружия в виде цепочки отрезков (другое дело, что их, конечно, не видно со стороны и летят они со скоростью света). На масштабе в несколько пикосекунд (одна пикосекунда = 10-12 секунд) речь идет о расстоянии в десятые доли миллиметра — фотоны, вылетевшие на фронте импульса, отстоят от покинувших лазер последними буквально на толщину волоса или даже меньше. На таком расстоянии уже становится некорректным рассматривать свет как синусоидальную волну — импульс выглядит скорее так, как показано на картинке:

И такую «горбатую» синусоиду нельзя описать простой формулой sin(x), зато можно представить как сумму колебаний на разных частотах, как совокупность волн с разной частотой. Эти волны, в свою очередь, можно разделить, направив их в оптическую систему со свойством дисперсии, то есть такую, которая по-разному пропускает излучение на разных частотах.

Самым простым примером может служить обычное стекло (и действительно, в первом опыте Муру и Стрикленд взяли просто длинный, 1,4 км, оптоволоконный кабель), однако для большой мощности лучше использовать те же дифракционные решетки — они не портятся даже в очень мощных лазерах. Короткий импульс, проходя через дисперсионный элемент, разлагается на несколько компонентов, причем одни приходят вовремя, а другие запаздывают, и за счет этого длина импульса возрастает иногда в десять раз или даже больше. Сочетая такой метод с линзами, временно расфокусирующими лазерный пучок, физики уже добились экстремальных значений: сфокусированные импульсы на сегодня способны не только прожигать разные материалы, но и делать многое другое.

Что это дает

Наиль Иногамов, ведущий научный сотрудник Института теоретической физики и специалист по взаимодействию лазерного излучения с веществом, в беседе с «Чердаком» отметил, что появление сверхкоротких лазерных импульсов позволило в том числе создать совершенно новые способы обработки материалов при помощи контролируемого испарения участков поверхности. «Когда у вас лазерный импульс попадает на поверхность, он всегда ее нагревает, и этот нагрев затрагивает не только то пятнышко, куда его сфокусировали, но и окрестности — он ее портит. А сверхкороткие импульсы просто не успевают нагреть лишнего; это новый метод, при помощи которого можно создавать материалы с упорядоченными структурами на поверхности — водоотталкивающие, например. Или метаматериалы с упорядоченными структурами для оптики. Причем это не только зеркала и прочие оптические элементы для видимого света, но также элементы для активно развивающейся технологии рентгеновских лазеров».

***

Сложно придумать формулировку лучше, чем в сообщении Нобелевского комитета, — инструменты, сделанные из света. Свет нежный и удерживающий без вреда живые клетки. Свет жесткий, резкий, филигранно взрезающий материю. Свет, выхватывающий мгновения: сверхкороткие импульсы могут быть своего рода фотовспышкой для, скажем, взаимодействующих молекул. Свет, в котором парят легкие объекты. Результаты работы трех разных исследователей этим явно не ограничиваются — впереди нас могут ждать искусственные организмы (собранные из синтетических клеток при помощи лазерных пинцетов), установки по производству антиматерии (сверхсильные электрические поля порождают пары из электронов и их античастиц) и даже то, что мы пока не можем себе представить.

Нобелевский комитет неоднократно отмечал открытия и изобретения, поменявшие мир самым радикальным образом. Это и транзисторы (1956 год, Бардин-Шокли-Браттейн), и синие светодиоды (2014-й, Акасаки-Амано-Накамура), и те же лазеры (1964-й, Таунс-Басов-Прохоров). Сегодняшняя премия достойно продолжила эту традицию.

Алексей Тимошенко