Fasciculele laser ţin celule vii pe loc. Fasciculele pot fi folosite pentru a roti celulele pentru o fotografiere de detaliu.

Lumea în care trăim este plină de lumină și aceasta este esenţială pentru a asigura viața pe planeta noastră. De aceea este mai mult decât firesc să onorăm trei oameni de știință care au inventat noi modalități de a folosi razele de lumină pentru a explora lumea.

Premiul Nobel pentru fizică din 2018 a fost acordat lui Arthur Ashkin, lui Gérard Mourou și Donnei Strickland pentru producerea unor instrumente din fascicule de lumină. Ashkin a câștigat jumătate din premiu pentru crearea unor "pensete optice", care sunt de fapt fascicule de lumină ce au capacitatea de a manipula obiecte minuscule, precum celulele sau atomii, în timp ce Mourou și Strickland au câștigat cealaltă jumătate pentru inventarea unei tehnologii care generează impulsuri laser ultrascurte și de înaltă intensitate, tehnologie folosită în chirurgia oftalmologică, științele materialelor, studierea proceselor foarte rapide și fizica plasmei, între altele.


Alfred Nobel a consemnat în testamentul său că premiul pentru fizică va fi acordat pentru „cea mai importantă descoperire sau invenție din domeniul fizicii”, așadar, ca fizician eu însumi, cred că ar fi încântat de faptul că în 2018 premiul aduce recunoaștere unor invenții din anii ’70 și ’80 care au aplicații practice în folosul omenirii.  
Donna Strickland este doar a treia femeie care primește premiul Nobel în fizică, din 210 de câștigători, și prima căreia i s-a înmânat acest premiu din 1963. Marie Curie a fost prima, în 1903; ea a câștigat încă o dată în 1911 pentru chimie. Maria Goeppert-Mayer a fost a doua. Să sperăm că pe viitor comitetul premiului Nobel va scădea media de 60 de ani între nominalizarea femeilor printre laureați.

 




Ce sunt “pensetele optice”?


Folosirea luminii pentru manipularea lumii noastre a devenit foarte importantă în știință și medicină în ultimele decenii. Nobelul pentru fizică din 2018 recunoaște inventarea unor instrumente care au facilitat progrese în multe domenii.

“Pensetele optice” folosesc lumina pentru a menține particule microscopice într-un punct fix și a le măsura mișcarea. Poate părea ciudat că lumina poate imobiliza ceva, dar este un fapt bine cunoscut de peste un secol că lumina poate aplica o anumită forță asupra obiectelor fizice prin ceea ce este cunoscut ca presiunea radiației.

În 1969, Arthur Ashkin a folosit laserele pentru a capta și accelera obiecte de mărimi micronice (un micron este a mia parte dintr-un milimetru), precum sfere minuscule și picături de apă. Aceasta au dus la invenția “pensetelor optice”, care folosesc două sau mai multe fascicule laser orientate în direcții opuse pentru a atrage o celulă ori o particulă-ţintă spre centrul fasciculelor și a o ține în loc. De fiecare dată când particula se îndepărtează de centru, aceasta întâlnește o forță care o împinge înapoi către centru.

Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji and William D. Phillips au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 1997 pentru crearea unor tehnici de răcire cu laser, cunoscute și drept “capcane optice”, care țin atomii captivi într-un spațiu. Ashkin și Chu au lucrat împreună la Bell Laboratories în anii ’80 punând bazele lucrului la capcanele optice. În timp ce Chu a continuat studiul atomilor neutri, Ashkin a urmărit ținte mai mari, de natură biologică. În 1987, Ashkin a folosit “pensete optice” pentru a examina o bacterie – fără a afecta microbul. Astăzi “pensetele optice” sunt folosite cu regularitate în studiul moleculelor și celulelor.

Askin este absolvent al Universității Columbia și şi-a luat doctoratul la Universitatea Cornell. La Bell Laboratories a început lucrul în 1952 și s-a retras în 1992. Dar și-a amenajat un laborator acasă pentru a continua investigațiile științifice. A obţinut peste 45 de patente pentru invențiile sale.


De ce sunt importante impulsurile laser rapide?

Gerard Mourou și Donna Strickland au lucrat împreună la Universitatea Rochester, unde au creat tehnica numită amplificarea pulsurilor laser cu derivă de frecvenţă (eng. chirped pulse amplification). Strickland era studentă și Mourou era profesorul îndrumător pentru teza ei la mijlocul anilor ’80. La timpul respectiv, progresele privind crearea unor lasere mai puternice încetiniseră. Laserele mai puternice aveau tendința de a se deteriora. Strickland și Mourou au inventat un mod de a crea lumină intensă, dar cu impulsuri scurte.

Cel mai probabil sunteți familiarizați cu laserele de la brelocuri și scanerele de coduri de bare, care sunt doar câteva moduri în care folosim laserul în viața de zi cu zi. Dar acestea sunt lasere de o intensitate relativ joasă. Multe aplicații științifice au nevoie de lasere mult mai puternice.

Pentru a rezolva această problemă Mourou și Strickland au folosit laser cu impulsuri foarte scurte (ultrascurte) – izbucniri scurte de lumină separate în timp. Cu tehnica de amplificare a pulsurilor laser cu derivă de frecvenţă, impulsurile sunt întinse în timp, făcându-le mai lungi și mai puțin intense și apoi acestea sunt amplificate până la un milion de ori. Când aceste impulsuri sunt comprimate din nou (prin reversul procesului de expandare), ele sunt mult mai intense decât se poate obține fără tehnica menţionată.

Ca analogie, gândiți-vă la o bandă groasă de cauciuc. Când banda este întinsă, cauciucul devine mai subțire. Când este lăsată liberă ea revine la grosimea inițială. Acum imaginați-vă că există un mod de a face banda întinsă mai groasă. Când această bandă îngroșată este eliberată, ea va fi mai groasă decât era inițial. Asta se întâmplă cu impulsurile laser.  

Există o varietate de feluri de alungire și amplificare ce pot fi puse în practică, dar aproape toate laserele de intensitate mare din lume folosesc o variație a aceste tehnici. De la inventarea amplificării pulsurilor laser cu derivă de frecvenţă, intensitatea maximă a noilor lasere a continuat să crească semnificativ.


Tehnica de amplificare a pulsurilor laser cu derivă de frecvenţă a dus la crearea unui impulsuri de lumină extrem de puternice. Credit: NobelPrize.org, CC BY-SA


În propriul meu câmp al fizicii particulelor, laserele bazate pe această tehnică sunt folosite pentru a accelera fascicule de particule, cu potențialul de a crea o cale spre o accelerație mai mare pe o distanță mai scurtă. Acest lucru ar putea duce la acceleratoare cu un cost mai redus și cu energie mai mare care pot împinge limitele fizicii particulelor – permițându-ne să detectăm particule care deocamdată scapă detecţiei și să ajungem la o mai bună înțelegere a universului.

Dar nu toate acceleratoarele de particule sunt uriașe ca Marele Accelerator de Hadroni (eng. Large Hadron Collider – LHC), care are o circumferință de peste 27 km. Există în jur de 30 000 de acceleratoare industriale de particule în toată lumea care sunt folosite în scopuri mai apropiate de viaţa noastră, precum pregătirea materialelor, tratamentul cancerului și cercetarea medicală.

Invenţia lui Mourou și a lui Strickland ar putea fi folosită pentru a micșora dimensiunile acestor acceleratoare şi pentru a le face mai ieftine.  

Lasere ultrarapide și de intensitate foarte ridicată sunt acum folosite în chirurgia oftalmologică.  Acestea pot fi folosite pentru tratarea corneei pentru a îmbunătăți vederea unor pacienți. Tehnica de amplificare a pulsurilor laser cu derivă de frecvenţă este o invenție folosită și pentru studierea proceselor ultrarapide (de ordinul attosecundelor). O attosecundă este a miliarda parte din a miliarda parte a unei secunde. Cu lasere care produc impulsuri la fiecare attosecundă, putem să fotografiem procese extrem de rapide, cum ar fi atomi care își pierd un electron (ionizarea) și apoi îl recuperează.

Invenţia care a dus la obţinerea Premiului Nobel a stat la baza tezei de doctorat a lui Donna Strickland susţinută la Universitatea Rochester. Dr. Strickland este acum profesor asociat la Universitatea Waterloo din Canada. Mourou a devenit directorul fondator al Center for Ultrafast Optical Science al Universităţii din Michigan în 1990. Mai târziu a devenit director al Laboratoire d'optique appliquée din Franța.

Premiul Nobel în fizică din 2018 aduce în prim plan munca de pionierat a acestor trei oameni de știință. În ultimele trei decenii, invențiile lor au creat posibilități pentru știință și tratamente medicale care arau inaccesibile înainte. Nu există nici un dubiu că vom continua să beneficiem de pe urma contribuției lor mult timp de aici înainte.


Traducere după: Tools made from light