Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 36 – vyšlo 12. října, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

36/2018

Nobelova cena za fyziku – optická pinzeta a ultrakrátké laserové pulzy

Lucie Kulhánková

Rozhodnutí o letošních laureátech Nobelovy ceny za fyziku bylo oznámeno 2. října, cena jim bude udělena 10. prosince v den výročí smrti Alfreda Nobela. Polovina ceny byla udělena Arthuru Ashkinovi za jeho práci na optické pinzetě a jejím využití v biologických systémech. Druhá polovina ceny byla rozdělena rovným dílem Gérardu Mourou a Donně Strickland za vyvinutí metody generování ultrakrátkých optických pulzů s vysokou intenzitou. Není to poprvé, kdy bylo toto prestižní ocenění uděleno za laserovéLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. technologie. Například v roce 1997 získali Nobelovu cenu Ashkinův kolega Steven Chu a spolu s ním William Phillips a Claude Cohen-Tannoudji za vývoj metody laserového ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku., která umožnila mj. zachycení objektů a manipulaci s nimi.

Umělecké vyobrazení trojice oceněných vědců, zleva jsou Arthur Ashkin,
Gérard Mourou a Donna Strickland. Zdroj: Nobel Media 2018.

Medaile udělovaná oceněným

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Optická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší.

Ve světelné pasti

Arthur Ashkin pracoval již od šedesátých let na úkolu, který zní jako námět ze sci-fi filmu: chtěl pomocí laseru pohybovat věcmi. Uvědomil si, že v laseru se na rozdíl od normálního světelného zdroje pohybuje světlo koherentně a není směsicí různých vlnových délek, které se rozptylují do všech stran. Proto má i ten nejostřejší laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. snižující se intenzitu směrem od středu ke krajům, a tak vyvíjí různý radiační tlak na částice, které mu stojí v cestě v různých místech. Výsledekm je překvapivý: laser tlačí objekty směrem do středu svazku a může s nimi pohnout. Pokud laserový svazek ještě fokusujete, jsou částice tlačeny a drženy v bodě s nejvyšší intenzitou svazku (v jeho zúžení) a vytvoříte tak vlastně světelnou past. To se Ashkinovi skutečně podařilo a vyvinul optickou pinzetu, která se dnes využívá k manipulaci částic, virů i celých buněk. Podrobnosti o principu optické pinzety naleznete v bulletinu AB 3/2018.

Právě využití v biologii byla vlastně náhoda. Při pokusech s menšími částicemi nechal Ashkin experiment v laboratoři přes noc a ráno si všiml, že se v něm objevily bakterie. Kontaminace bakteriemi byla nežádoucí, fascinující ale bylo, že optická pinzeta zachycovala i bakterie. K velkému posunu došlo v roce 1987, kdy se poprvé podařilo zachytit bakteriální buňku bez jejího poškození. To otevřelo cestu ke zkoumání živých biologických systémů po jejich zachycení. Dokonce bylo zjištěno, že lze zachycovat molekuly přímo uvnitř živé buňky, a to bez poškození buněčné membrány.

Ashkinova technologie našla využití v mnoha experimentálních laboratořích. Například se pomocí ní zkoumala dynamika molekulárních motorů, jakým je kinezin. Ten nechali vědci pohybovat po sféře, která byla pomocí optické pinzety držena na místě, a bylo tak možné přesně změřit dráhu a způsob, jakým se kinezin pohybuje. Více o pohybu kinezinů naleznete v AB 7/2010.

Částice jsou drženy v zúžení laserového svazku a lze s nimi
relativně snadno manipulovat. Zdroj: Nature.

Jak na nejsilnější laser na světě

Donna Strickland byla doktorandkou, kterou vedl Gérard Mourou. Spolu pracovali na vytvoření krátkých a intenzivních laserových pulzů, které zároveň nepoškozují objekty, na něž dopadají. Základem technologie je natažení pulzu v čase, následné zesílení a komprimace. Jejich průlomový článek byl i základem doktorské práce Donny Strickland. Pokusy o vytvoření mimořádně intenzivních laserů existovaly už od samotného vynálezu laseru. Velkou pomocí byl i vynález takzvaného q-spínání, které umožňuje vytvoření krátkých impulzů místo dlouhodobého vyzařování. Na této metodě stavěli i Strickland a Mourou. Nicméně se zkracováním pulzů přicházel z počátku pouze minimální nárůst počtu fotonů a tedy i intenzity a špičkového výkonu. V osmdesátých letech už to pomalu vypadalo, že věda dosáhla v této oblasti vrcholu. Každé další zvýšení intenzity znamenalo poškození zesilovacího systému. Nakonec se to ale podařilo. Strickland a Mourou spolu vyvinuli technologii CPA (Chirped Pulse Amplification, kmitočtově rozmítané zesílení pulzu). Nejprve impulz prodloužili, čímž dočasně snížili špičkový výkon. Díky tomu nebyl systém poškozen a impulz bylo možné v další fázi zesílit. Nakonec impulz opět zkrátili, a tím navýšili jeho špičkový výkon.

Princip technologie CPA. Zdroj: Nobel Media.

Tato technologie našla využití zejména proto, že ultrakrátké laserové impulzy nepoškozují celý objem materiálu, na který dopadají, jako to dělají delší pulzy. Lze tak vytvářet malé otvory s extrémní přesností, a to i v živých tkáních. Proto se dnes femtosekundových impulzů využívá například při operacích očí, kde je potřeba sice velmi silný laser, ale takový, který nepoškodí oko. Další oblast, kde lze těžit z používání těchto laserů, je základní výzkum. V takzvané attosekundové fyzice, tedy fyzice v rámci časů v řádu 10⁻¹⁸ sekundy, lze zkoumat například svět elektronů. V silném laserovém poli totiž může atom přijmout foton a vymrštit excitovaný elektron s vysokou kinetickou energií.

Operace očí laserovou technologií. Zdroj: Online Focus.

Arthur Ashkin

Arthur Ashkin(*1922)

Arthur Ashkin je americký fyzik, který se narodil v Brooklynu jako syn ruských židovských imigrantů. Vystudoval Kolumbijskou univerzitu a doktorát získal na Cornellově univerzitě. Po studiích začal pracovat v Bellových telefonních laboratořích, kde se zabýval mikrovlnami. Na začátku šedesátých let přešel k laserové fyzice. Kromě jeho práce na optické pinzetě je také spoluobjevitelem fotorefraktivního efektu v piezoelektrickém krystalu. Ve své domácí laboratoři pokračuje v práci dodnes. Za svoji kariéru získal 47 patentů a mnoho ocenění včetně Harveyho ceny z roku 2004. Nejvyšším oceněním je Nobelova cena za fyziku, kterou získal v roce 2018.

Gérard Mourou

Gérard Mourou (*1944)

Gérard Mourou je francouzský vědec, který se narodil v Albertville. Doktorát získal na Univerzitě Pierra a Marie Currieových v roce 1973. Následně pracoval v USA na Rochesterské univerzitě, kde byla jeho studentkou Donna Strickland. Společně vyvinuli technologii CPA (Chirped Pulse Amplification) umožňující přípravu intenzivních ultrakrátkých laserových pulzů. Mezi lety 2005 a 2009 byl ředitelem laboratoře aplikované optiky na ENSTA. Je profesorem na Pařížské Polytechnické univerzitě a emeritním profesorem Michiganské univerzity. Za svou kariéru získal mnoha prestižních ocenění, například cenu Charlese Hard Townese v roce 2009. V roce 2018 mu byla udělena Nobelova cenu za fyziku. Založil Evropskou iniciativu ELI (Extreme Light Infrastructure), jejíž tři centra jsou budována v Maďarsku, Rumusku a České Republice. Cílem je postavit laserová střediska s lasery o stokrát větším výkonu, než je dnes běžné. Česká část projektu ELI Beamlines je postavena v Dolních Břežanech.

Donna Strickland

Donna Strickland (1959)

Donna Theo Strickland se narodila v Kanadském Guelphu. Vzdělání získala na McMasterově univerzitě, kde byla jednou ze tří žen v ročníku. Doktorát následně obdržela na Rochesterské univerzitě pod vedením Gérarda Mourou, s nímž pracovala na vývoji intenzivních lesarových pulzů. Společně vyvinuli technologii CPA (Chirped Pulse Amplification), za níž obržela Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2018. V letech 1988 až 1991 pracovala v Kanadské národní radě pro výzkum. Následně pracovala na Princetonské univerzitě a v roce 1997 se stala profesorkou na univerzitě Waterloo, kde pracuje dodnes. Je teprve třetí ženou, která získala Nobelovu cenu za fyziku a první ženou od roku 1953, kdy ji získala Maria Goeppert Mayer.

Odkazy