В 2018 году Нобелевский комитет решил отметить работу трех ученых с общей формулировкой «за новаторские изобретения в области лазерной физики». Причем премия делится дважды пополам. Артур Эшкин награжден половиной за «оптический пинцет и его приложениe к биологическим системам», а другая половина совместно Жерару Муру и Донне Стрикленд «за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».
Схема принципа работы оптической ловушки
Перемещающий светом
Оптический пинцет (в англоязычной литературе optical tweezers) — просто чудо чудесное: инструмент позволяет захватывать, перемещать и размещать микроскопические частицы с точностью до сотен нанометров. Причем самым замечательным для основного поля приложений — биологии — оказалось то, что метод неразрушающий: клетки и даже их части остаются вполне жизнеспособными после воздействия.
Нобелевский «именинник» Артур Эшкин свою премию заслужил сполна. Именно он сначала получил результаты о воздействии оптического рассеивания и градиентных сил на частицы, имеющие размеры порядка микрон (1970 год, статья в Physical Review Letters). В статье докладывалось о том, что микронные частицы были ускорены и удержаны в стабильной оптической трехмерной яме. Яма была организована лазером, работающим в непрерывном режиме, а удержание происходило только за счет сил светового давления. Помимо демонстрации эффекта, в статье обсуждались различные возможности подобного воздействия на атомы и молекулы и приложения реализации таких возможностей.
Артур Эшкин нобелевский лауреат по физике 2018 года. Иллюстратор Niklas Elmehed/Nobel Media
Годы спустя Эшкин с коллегами выпустил статью о сильно сфокусированном луче света, способном удерживать микроскопические частицы в трех измерениях. Другими словами, в 1986 году группа сообщила миру о первом оптическом пинцете. А уже в 1987 году Артур Эшкин и Джозеф М. Джиджик демонстрировали применение технологии в биологии, захватив отдельный вирус табачной мозаики и бактерию кишечной палочки.
Начиная с 90-х годов XX века стартовало развитие силовой спектроскопии на основе оптических ловушек, где в качестве объектов исследования выступали молекулярные биологические моторы (например, такие молекулярные структуры, которые сокращают и расслабляют мышцы; бактериальный жгутик — тоже биомотор, и многие другие системы, которых не счесть внутри клеток). Именно оптические ловушки помогли биофизикам наблюдать наномоторы, исследовать их динамику и возникающие силы.
Оптический пинцет успешно применяют и в других областях биологии. Например, в синтетической биологии с помощью девайса можно создавать сети искусственных клеток, напоминающих ткани. С 2003 года технология применяется в сортировке клеток за счет их внутренних оптических характеристик. С помощью оптического пинцета ученые зондируют цитоскелет, измеряют вязкоупругие свойства биополимеров и изучают подвижность клеток.
Помимо расширения поля приложений, ученые также работали над уменьшением и упрощением технологии — так, чтобы она была «по карману» небольшим исследовательским бюджетам.
Одной биологией поле приложений оптического пинцета не ограничивается. Например, физики изучают свойства отдельных атомов, химики могут себе позволить проводить реакции между отдельными атомами и молекулами, инженеры конструируют хитрые микросхемы из квантовых точек и создают трехмерные голограммы.
Стоить упомянуть, что один из соавторов пионерской работы об оптическом пинцете Стивен Чу развил технологию до применения в охлаждении атомов и получил за это Нобелевскую премию по физике в 1997 году (совместно с Клодом Коэном-Таннуджи и Уильямом Филлипсом). А основоположнику идеи пришлось подождать еще 21 год. Справедливости ради, Стивен Чу в нобелевском интервью рассказывал о том, что именно Эшкин первым фантазировал о том, что лазерным пинцетом можно было бы охлаждать атомы.
Как ухватить клетку
Донна Стрикленд, нобелевский лауреат по физике 2018 года. Иллюстратор Niklas Elmehed/Nobel Media
В целом идея «силового» воздействия света сильно старше 50 лет. Еще в XVII веке Исаак Ньютон догадывался, что свет может «давить» на вещество. В XIX веке Джеймс Максвелл с помощью авторской теории электромагнитных явлений предложил подход для подсчета светового давления. Экспериментально этот эффект был измерен в начале XX века российским физиком Петром Лебедевым.
Детальное объяснение физических принципов, руководящих работой оптического пинцета, зависит от относительного размера удерживаемых частиц по сравнению с длиной волны используемого лазера. В случае, когда диаметр частицы сильно превышает длину волны, для объяснения поведения частицы достаточно приближения геометрической оптики. Если длина волны гораздо больше размера частицы, поведение последней в оптической ловушке описывается моделью электрического диполя. Например, в пионерских опытах Эшкина по удержанию биообъектов вирус табачной мозаики был по своим размерам меньше длины волны света лазера, а кишечная палочка — больше.
В приближении геометрической оптики поведение частицы объясняется действующими на частицу импульсами от преломленного, отраженного и рассеянного света. Из-за преломления света луч лазера изменяет свое направление после прохождения через частицу. Свет имеет ассоциированный с ним импульс, и так как этот импульс после прохождения сквозь объект изменился, частица должна приобрести аналогичный по величине и противоположный по направлению импульс. Изменение импульса по второму закону Ньютона приводит к воздействию импульса силы.
Жерар Муру нобелевский лауреат по физике 2018 года. Иллюстратор Niklas Elmehed/Nobel Media
Обычно профиль интенсивности в лазерном пучке имеет форму распределения Гаусса (напоминает горб одногорбого верблюда). В таком пучке интенсивность в центре максимальна и плавно убывает к краям. Соответственно, если частица смещается от центра, то равнодействующая сила стремится вернуть беглянку обратно, так как более интенсивные лучи в центре вызывают более интенсивное изменение импульса, направленное к центру. При этом на частицу действует сила, пропорциональная смещению (как упругая сила Гука). То есть чем дальше частица удаляется от центра, тем сильнее ее влечет назад (см. рисунок 1). Аналогичным принципом удерживаются ионы в трехмерных радиочастотных ловушках в масс-спектрометрии, но уже за счет электрических сил.
Если частица находится в центре пучка, то отдельные лучи преломляются симметрично и не приводят к появлению боковой равнодействующей. В несфокусированном пучке существует сила, действующая вдоль оси и вызывающая перемещение прочь от источника пучка. Ее возникновение также вписывается в модель геометрической оптики — она возникает из-за давления рассеянного света.
В сфокусированном лазерном пучке, помимо стабильности в радиальном направлении, возникает и стабильность вдоль оси. В сфокусированном лазере есть место нименьшей толщины и наибольшей интенсивности — перетяжка пучка света (beam waist). Вблизи этого места и находится точка стабильности частицы, в которой силы светового давления, вызванные рассеянием и преломлением, компенсируют друг друга.
Алексей Щербаков, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ
— Жерару Муру и Донне Стрикланд давно собирались дать Нобелевку, все только и ждали — еще 10 лет назад шли об этом разговоры. Их идея блестящая. Она простая и в то же время красивая. И при всем этом выстрелила так, что вывела лазерную технику на новый уровень.
Если частица мала относительно длины волны падающего света, то происходит так называемое рэлеевское рассеяние. В пределах этой модели частицу можно считать точечным диполем, помещенным в неоднородное электромагнитное поле лазерного излучения. Детальный расчет производится с помощью уравнений Максвелла. Качественно же в представлении точечного диполя можно сказать, что сила действует на частицу пропорционально градиенту интенсивности, приводя к постоянному стремлению частицы в центр пучка.
Оптические ловушки очень чувствительны к изменению положения частиц (способны «заметить» перемещения частиц субмикронного масштаба на расстояния меньше нанометра). Это свойство как раз и позволяет изучать различные биологические сценарии на молекулярном уровне.
Откуда импульсы растут
Технология, отмеченная второй половиной физической Нобелевки 2018 года, называется «усиление чирпированных импульсов» (Chirped-pulse amplification, CPA). Первоначально технику разрабатывали для увеличения доступной мощности в радарах (1960 год). Адаптация методики для лазеров принадлежит новоиспеченным нобелевским лауреатам — в 1985 году они опубликовали работу, в которой предложили четырехступенчатый метод генерации коротких и высокоинтенсивных импульсов.
Первоначальный короткий импульс пропускается через дисперсионную систему и таким образом растягивается по частоте (по принципу радуги и Ньютоновской призмы). Полученный «длинный» импульс готов к усилению и может быть запущен в соответствующий специальный оптический элемент. После усиления импульс снова сжимается, проходя через отрицательную дисперсионную систему, которая заново сжимает импульс. На выходе имеем ультракороткий импульс высокой энергии (см. рисунок №2).
Схема технологии усиления чирпированных импульсов.
1 — генератор коротких импульсов; 2 — изначальный короткий импульс; 3 — пара решеток за счет дисперсии растягивает импульс примерно в 1000 раз; 4 — импульс теперь длинный и слабый, безопасный для усиления; 5 — усилители мощности; 6 — импульс высокой энергии после усиления; 7 — вторая пара решеток обращает дисперсию от первой пары и сжимает импульс; 8 — результирующий ультракороткий импульс высокой энергии
В усиливающей среде возникают различные нелинейные эффекты. Так, например из-за этого существует некоторое насыщение по энергии — мы не можем бесконечно усиливать энергию импульса. Растянув его, мы можем «накачать» каждый кусочек до предела. А сжав обратно, получим суммарно более высокие энергии, чем если бы усиливали нерастянутый импульс.
Александр Залесский, старший научный сотрудник лаборатории био- и нанофотоники ИХФ РАН им. Н. Н. Семёнова
— С одной стороны, в присуждении премии Эшкину восстановлена историческая справедливость, ведь за охлаждение атомов дали премию. Но, с другой стороны, его работу нельзя назвать переоцененной или недостойной: благодаря описанной Эшкиным технологии у биологов всего мира появился очень мощный метод, такая микрорука, которая способна делать удивительные вещи.
Технология CPA заслужила признание многих — благодаря идее Муру и Стрикленд появилось разнообразие приложений в науке, промышленности, медицине, энергетике и обеспечении безопасности.
В научных приложениях техники прогресс продолжается. Наиболее яркие примеры применения — изучение сверхбыстрых процессов в химии, биологии и материаловедении. Например, наблюдение перераспределения электронов в ходе реакций. Также важное место занимают исследования динамических свойств материалов, производство и изучение горячего плотного вещества, моделирующего экстремальные процессы в астрофизике (физика плотности высоких энергий). Среди ярких научных приложений стоит отметить постоянное отодвигание «границы интенсивности», где появляется возможность изучать не исследованную ранее физику высоких полей на интенсивностях, которые сегодня уже превышают 1022 Вт /см2.
Промышленное применение мотивировано различными воздействиями на материалы импульсов разной продолжительности. К примеру, длинные импульсы обеспечивают высокую точность в удалении очень малых количеств материалов без таяния, что весьма полезно при обработке материалов. Ультракороткие импульсы нашли себя в медицинских приложениях благодаря высокой точности и нанесению минимального ущерба при проведении хирургических операций. Особенно интересное применение CPA находит и в разработке будущих источников энергии на основе термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы. На военной арене рассматривается использование ультракоротких импульсов для эффективного производства длинных проводящих плазменных каналов в воздухе (плазменных нитей), в физике плотности высоких энергий используется для проверки эффективности ядерного оружия.
При этом технология позволяет производить ультракороткие, ультраяркие импульсы ионизирующего излучения относительно компактно и недорого. CPA используется для генерации рентгеновских лучей, гамма-излучения, терагерцового излучения, энергичных электронов, протонов или ионов. Недавние стремительные достижения в области специального ускорения сгустков электронов в плазме (кильватерное ускорение) служат многообещающей заменой больших (и дорогостоящих!) ускорительных установок. Это наиболее актуально для передовой науки, медицинской терапии и диагностики, для безопасности.
«Идея Муру и Стрикланд не была новаторской, подобный метод применялся до них в радарах, но именно их обобщение на оптический случай позволило лазерам ультракоротких импульсов перейти из разряда научных приборов в разряд коммерческих», — говорит Даниил Мясников, начальник отдела научно-исследовательских разработок НТО «ИРЭ-Полюс».
В основе обеих половинок премии нынешнего года лежат красивые физические идеи и колоссальный труд авторов. А приложения уже радуют многих, хотя наверняка их потенциал еще не исчерпан.
