Manipuliacijos šviesa    

2018 m. Nobelio komitetas iš dausų (2017 m. premiją skyrė už gravitacinių bangų atradimą) nusileido ant žemės. Premija fizikos srityje skirta už du atradimus, praplėtusius lazerių fizikos ribas – už „instrumentus iš šviesos“. Su laureatais susiję ir keli įdomūs faktai. 96 m. amžiaus A. Aškinas tapo vyriausiu ją gavusiu laureatu. D. Strickland – trečioji moteris fizikos srityje – po M. Kiuri (1903) ir M. Goeppert-Mayer (1963).

Optinis pincetas

Artūras Aškinas1) gavo premiją „už novatoriškus atradimus lazerių fizikoje“. Jo sukurtas optinis (lazerinis) pincetas leidžia su dideliu tikslumu manipuliuoti mikroskopiniais objektais.

Pirmąkart prielaidą, kad šviesa slegia, 1619 m. iškėlė J. Kepleris, saulės spindulių poveikiu aiškinęs kometų uodegų kryptį nuo Saulės. Kaip vėliau paaiškėjo, šviesos slėgis – vienas svarbiausių veiksnių, atsakingų už žvaigždžių ir kosminių dalelių dinamiką tarpžvaigždinėje erdvėje. Po dviejų su puse amžių Dž.K. Maksvelas4) teoriškai įrodė, kad šviesa gali slėgti, tačiau eksperimentiškai tai buvo patvirtinta tik 20 a. pradžioje, iš dalies ir ruso P. Lebedevo. Tiek užtruko dėl nepaprastai silpno poveikio. Ir tik atsiradus lazeriams pavyko pasiekti pakankamą šviesos slėgį.

7-me 20 a. dešimtm. šviesos slėgio panaudojimo idėjos tiesiog pleveno ore. Fantastika buvo užkišta fotoniniais žvaigždėlėkiais, o „Žvaigždžių kelyje“ (1966) šviesos spindulys panaudojamas objektų ar net asteroidų perkėlimui. Bet tik Belo laboratorijos darbuotojas A. Aškinas greitai susivokė, kad naujai išrastas lazeris gali tapti šviesos instrumentu. Pirmasis lazeris buvo pademonstruotas 1960 m., o jau 1961 m. A. Aškinas pradėjo bandymus jo spinduliu veikdamas mikroskopinius objektus.

Apšviesdamas skaidrius diaelektrinius rutuliukus, jis nustebo aptikęs, kad šviesa ne tik stumdo juos, bet ir perkelia į spindulio centrą, kur šviesos intensyvumas didžiausias. 1970 m. pasirodė jo pirmas darbas „Dalelių pagreitinimas ir sugaudymas panaudojant spindulinį slėgį“, kuriame aprašoma, kaip kelių milivatų galios lazerio spinduliu, sufokusuotu iki 6,2 mikrono skersmens, vandenyje ir ore stumdė mikronų dydžio lateksinius rutuliukus.

Kuo paaiškinamas dalelių pasitraukimas į lazerio spindulio centrą?
Jei veikiamos dalelės skersmuo gerokai didesnis už šviesos bangos ilgį, veikia optikos dėsniai. Rutuliukai, turintys laužimo laipsnį didesnį už aplinkos, nukreipia (laužia) spindulį. Kadangi šviesa turi impulsą, tai dėl antro ir trečio Niutono dėsnio atsiranda jėga, kurios dalelę nukreipia šalį, priešingą spindulio nukrypimui. Koks siauras bebūtų lazerio spindulys, jo intensyvumas mažėja nuo centro į kraštus. Tad sumarinė dalelę, esančią ne spindulio ašyje, veikianti jėga bus nukreipta į spindulio intensyvumo didėjimo pusę, t.y. spindulio ašį. Tokia jėga vadinama gradientine (gradientas nurodo dydžio didžiausio didėjimo kryptį ir reikšmę). Ji prispaudžia daleles prie spindulio ašies ir išlaiko jas ten. Jei šviesos spindulys stipriai fokusuotas, tai gradientinė jėga gali būti didesnė už įprastą šviesos slėgio jėgą.

Kai veikiamos dalelės skersmuo gerokai mažesnis už šviesos bangos ilgį, šviesos bangos elektrinis laukas priešinguose diaelektrinių sferų kraštuose indikuoja skirtingų ženklų krūvius ir juos veikdamas sukelia sumarinę jėgą lauko stiprėjimo kryptimi – gradientinę jėgą spindulio ašies kryptimi.

Tačiau dalelių išlaikymas spindulio ašyje – dar ne pilnaverčiai spąstai. Kad įvyktų visiškas „užgriebimas“ šviesa, būtina visiškai sustabdyti dalelių judėjimą palei spindulį. 1970 m. Aškinui kilo mintis sustabdyti daleles priešpriešiniu lazerio spinduliu. Tačiau šis būdas nepatogus praktiniam panaudojimui. Po metų jis pasiūlė pirmąją levitacinę gaudyklę, kai dalelė išlaikoma taške, kuriame aukštyn nukreipta šviesos slėgio jėga kompensuojama svorio jėga. Tačiau ir šis metodas nepraktiškas, kai gravitacinė jėga silpna, o Brauno ar šiluminis judėjimas didelis.

Netrukus kilo idėja gaudyklėje sulaikyti atskirus atomus, tačiau dėl to kilo sunkumai, nes dėl šiluminių judėjimų jų išlaikymui reikia stiprokų jėgų. Toliau tyrimai vyko dviem kryptimis: vienoje buvo ieškoma atomų sulėtinimo (atšaldymo) būdo. Tačiau Aškinas sumąstė į sistemą įtraukti stiprų lęšį, kad pasiektų didesnį lazerio spindulio fokusavimą ir, tuo pačiu, didesnę jėgą. Kartu išsiaiškinta, kad dalelės sutraukiamos prie didžiausio intensyvumo taško (židinio). Esant pakankamai dideliam spindulio suėjimo kampui kilusi gradientinė jėga įstengė kompensuoti šviesos slėgį. Taip Aškinas sukūrė optinę gaudyklę išgarsėjusią optinio pinceto pavadinimu.

Pirmąjį pavyzdį jis su kolegomis sukūrė 1986 m. po daugelio nesėkmingų bandymų. Vandenyje buvo sugaunamos dešimčių mikrometrų skersmens dalelės. Tais pačiais metais atlikti ir bandymai atomų atvėsinimui ir sugavimui.

Didžiausias posūkis tyrimuose įvyko 1987 m., kai optiniu pincetu pavyko sugriebti gyvas bakterijas nepadarant joms žalos. Pamatę, kad tai gali būti perspektyvu, buvo imtasi naujo instrumento biologinėms sistemoms kūrimo. Tai baigėsi Nobelio premija, o biologiniai optiniai instrumentai imti plačiai naudoti medicinos ir biologijos poreikiams.
Arthur Ashkin
Gerard Mourou
Donna Strickland

Tuo tarpu A. Aškino bendradarbis Stivenas Ču5) tęsė atomų vėsinimo ir gaudymo optinėje gaudyklėje darbus pasiekdamas rekordiškai žemas temperatūras. Idėją pasiūlė rusas V. Letochovas6), o Aškino komanda ją realizavo 1978 m. S. Ču už tai Nobelio premiją gavo jau 1997 m.

Beje, A. Aškinas, kaip tai dažnai būna moksle, atradimą padarė visai atsitiktinai. Bandydamas sučiupti vis smulkesnes daleles, jis bandymams panaudojo mozaikinius virusus (augalų virusus, sukeliančius lapų dėmes). Kartą 6' jis nakčiai paliko pavyzdžius atvirus – ir jie tapo užkrėsti bakterijomis. Per mikroskopą Aškinas pamatė, kad bakterijos, priartėjusios prie lazerio spindulio, patekdavo į optinę gaudyklę. Tiesa, žalias lazerio spindulys bakterijas užmušdavo, tačiau infraraudonieji spinduliai ne tik nedarė žalos joms, bet ir leido daugintis gaudyklėje.

1992 m. 70-metis A. Aškinas išėjo į pensiją, tačiau tebedirbo Belo laboratorijoje iki pat jos uždarymo 2006 m. Toliau tęsė bandymus savo namų rūsyje ir netgi per 2009-15 m. gavo 4 patentus Saulės energijos koncentravimo srityje.

A. Aškino sėkmė įkvėpė kitus tyrinėtojus optinių pincetų patobulinimams. 2018 m. „Nature“ paskelbė apie trimačių atvaizdų (hologramų) sukūrimą daugybės dalelių, pagautų į daugybę optinių gaudyklių, pagalba. Panašią technologiją, kai tūkstančiai pincetų panaudojama vienu metu, galima panaudoti, pvz., sveikų kraujo ląstelių atskyrimui nuo infekuotų. Tai padėtų kovoti su maliarija.

Aukšto intensyvumo ultratrumpi impulsai

Kita Nobelio premijos dalis buvo skirta prancūzui Žerarui Muru2) ir kanadietei Donai Strickland3) už „už intensyvių ultratrumpų pulsų generavimo metodą“. Jų atradimas leido sukurti šiuo metu trumpiausius ir didžiausio intensyvumo lazerio impulsus.

Nuo pat lazerių išradimo, už ką 1964 m. N. Basovui, A. Prochorovui ir Č. Taunsui buvo skirta Nobelio premija, tyrinėtojai nuolat stengėsi sukurti kuo intensyvesnius jų impulsus. Tačiau netrukus jų galingumai įšalo geram pusantro dešimtmečio. Trumpiems impulsams netgi nebuvo galima padidinti intensyvumo dėl perkaitimo nesuardant stiprintuvo ir optinių elementų. Lazerio impulsas virš 1GW /cm2 garantavo sistemos pažeidimą dėl netiesinių efektų.

Vienas sprendimo būdų buvo pluošto skersmens padidinime, tačiam tam reikėjo stambių ir brangių lazerinių įrenginių, „įkandamų“ tik stambiems tyrimų centrams. Be to tie dideli lazeriai dirbo su mažu impulsų pakartojimo dažniu – vos keli „šūviai“ per dieną, kad lazeriai spėtų atvėsti.

Proveržis įvyko 1985 m., kai Ž. Muru ir kanadietei D. Strickland sukūrė čirpuoto impulso sustiprinimo (Chirped pulse amplification, CPA) technologiją. Jie idėją gavo iš 1960 m. straipsnio, kuriame buvo aprašomas čirpuoto impulso sustiprinimas radare. Tačiau jos perkėlimas nuo radijo bangų prie gerokai trumpesnių šviesos bangų buvo sunkus tiek teoriškai, tiek praktiškai.

Čirpavimo idėja buvo paprasta ir aiški, nors gana sudėtingai techniškai realizuojama. Vietoje betarpiško šviesos impulso stiprinimo, jį pradžioje labai ištempia laike; impulso ilgia pailgėja 1000-100000 kartų. Tai „ištepa“ jo perduodamą energiją laike ir atitinkamai sumažina galią.

Tada ištemptas impulsas sustiprinamas milijonus ir daugiau kartų, nes jo intensyvumass toli nuo ribinių reikšmių, ir galiausiai vėl suspaudžiamas laike iki pradinės trukmės. Tai reiškia, kad visa išaugusi impulso energija „supakuojama“ į trumpą laiko intervalą, o jo intensyvumas nepaprastai padidėja – ir gali keliais laipsniais viršyti ankstesnių lazerinių įrenginių leistą intensyvumą. Metodo pavadinimas kilo nuo paukščiams būdingo garso dažnių skambėjimo (čirpimo).

Pradinėje realizacijoje 2-ių pikosekundžių kelių nanodžaulių impulsas 1,4 km optiniame laide buvo ištempiamas iki maždaug 300 ns. Dispersija jame buvo tokia, kad žemo dažnio („raudonoji“) dalis sklido greičiau už aukšto dažnio („violetinę“). Beveik iškart po to, kai paskelbė straipsnį, autoriai nepatogų optinį laidą pakeitė difrakcinių gardelių pora, išdėstytų taip, žemo dažnio dalis nueitų trumpesnį kelią, tad signalas tapo tiesiškai čirpuotas. Sustiprinus 6-os eilės laipsniu (iki 1 mJ), signalas buvo suspaudžiamas dviejų difrakcinių gardelių kompresoriumi iki pradinių 2 ps – tik šįkart išdėstytų taip, kad aukšto dažnio dalis nueitų trumpesnį kelią.

Per kitus 3 m. Muru ir Strickland sukūrė čirpuotus lazerius, kurių pikinė galia buvo per 1 teravatą (1TW=1012W), o impulsų energija sustiprinta 9-os eilės laipsniu. Dabar čirpavimas tapo beveik visų lazerių, kurių galingumas per 100 TW, pagrindu. Šiuo metu lazerių galia jau viršijo petavatą (1015W), tačiau ir tai ne riba. Jau kyla idėjos, kaip pasiekti 100 PW galią, o signalo trukmę sumažinti iki 10-21 sek. Kartu čirpavimas leido sumažinti lazerines sistemas, sukuriant terabaitinius stalinius lazerius (T3), įkandamus universitetams. Ne mažiau svarbu, kad tokie T3-lazeriai gali 10 kartų per sekundę generuoti impulsą.

Ir kuo trumpesnis impulsas, tuo greitesnius judesius galima stebėti jų pagalba. 100 atosekindžių (1 asek.= 10-18O didelis intensyvumas leidžia tirti medžiagas ekstremaliomis sąlygomis – termobranduolinės sintezės ir astrofizikos tyrimuose. Įmanoma pasiekti būseną, kai atomo elementų vidinių jėgų ryšiai nustoja veikti ir atsiranda galimybė vakuume tirti kvantinę fiziką.

Galingi lazeriai panaudojami ir kompaktiškų greitintuvų kūrimui. Taip vadinamo kilvaterinio pagreitinimo idėja kilo 1979 m. Intensyvus lazeris gali generuoti plazminę bangą (draiverį). Sklisdamas per plazmą lazerio spindulys nustumia lengvus elektronus, o sunkūs jonai lieka beveik nepajudinti. Taip susidaro krūvio tankio bangos su aukšta elektrinio lauko įtampa (iki 1011W) – to neįmanoma sukurti eksperimentinėje sistemoje dėl elektros pramušimo. Įkrautas daleles bangos gali draiverį sekančias daleles pagreitinti labiau nei tradiciniai greitintuvai. Pavadinimą metodui davė pagal analogiją su plaukiančio laivo kilvateriu. Berklyje esančioje Lourenso nacionalinėje laboratorijoje lazerinis greitintuvas BELLA elektronus pagreitina iki 4,2 GeV vos 9 cm atstumu.

Ypač aštrūs lazerio spinduliai gali labai tiksliai pjaustyti ar pradurti įvairias medžiagas, taipogi ir gyvus audinius. Lazerių intensyvumą galima nustatyti reikiamą konkretiems taikymams, pvz., žemą termoapdorojimui, o aukštą – pašalinimui. Chirurgijoje lazeriniai skalpeliai efektyvūs tiek dėl didelio tikslumo, tiek dėl mažesnių audinių pažeidimų, nes jie jie nespėja jų smarkiai įkaitinti. Femtosekundiniai lazeriai plačiai naudojami trumparegystės ir astigmatizmo gydymui.
čirpuotas impulso sustiprinimas

Trumpos biografijos

1) Artūras Aškinas (Arthur Ashkin, g. 1922 m.) – išeivių iš Odesos žydų kilmės amerikiečių fizikas, Nobelio premijos laureatas (2018).
Antrojo pasaulinio karo metais, tebebūdamas studentu, užsiėmė magnetronų kūrimu radarams. 1952 m. gavo daktaro laipsnį ir pradėjo dirbti Belo laboratorijoje, pradžioje užsiimdamas mikrobangomis, tada mazeriais, o nuo 1961 m. – lazeriais. Žinomas ir tyrimais fotorefrakcijos, antros harmonikos generacijos ir netiesinių reiškinių tyrimais optiniuose laiduose. Jam priklauso 47 patentai.

2) Žeraras Muru (Gerard Mourou, g. 1944 m.) – prancūzų fizikas, Nobelio premijos laureatas (2018). 1977 m. išvyko dirbti į Ročesterio un-tą; nuo 1988 m. Mičigano un-to profesorius, kur vadovavo jo įkurtam Supergreitos optikos centrui. 2004 m. grįžo į Prancūziją, kur tapo vienu Pažangių techologijų aukštosios mokyklos Taikomosios optikos laboratorijos steigėjų ir direktoriumi.

3) Donna Strickland (g. 1959 m.) – Kanados fizikė, Nobelio premijos laureatė (2018). 1989 m. Ročesterio un-te, vadovaujant Ž. Muru, apsigynė daktarės disertaciją, vėliau tęsė darbus Kanadoje. Nuo 1992 m. dirba Ontario miesto Vaterlo un-te (pirmoji moteris-profesorė jame). Šiuo metu siekia išplėsti optikos taikymą naujų dažnių diapazonams, o taip pat lazerių taikymu persbiopijos (senatvinės regos) gydymui.

4)Džeimsas Maksvelas (James Clerk Maxwell, 1831-1879) – škotų fizikas, sukūręs matematiškai pagrįstą elektromagnetinio lauko teoriją, kurioje elektrinis ir magnetinis laukai susiję ir sklinda šviesos greičiu. Savo teoriją kūrė 8 m. ir paskelbė „„Traktate apie elektrą ir magnetizmą“ (1873). Taip pat paskelbė darbų iš molekulinės kinetinės dujų teorijos, optikos, tamprumo teorijos, sukūrė fizikinių prietaisų. 1859-66 m. sukūrė teoriją apie dujų dalelių greičių skirstinius, vėliau apibendrintą L. Bolcmano. Taip pat sukūrė mintinį eksperimentą, pavadintą „Maksvelo demonu”, kuris rūšiuoja daleles pagal jų energiją, todėl neveikia antrasis termodinamikos dėsnis.

5) Stivenas Ču (Steven Chu, g. 1948 m.) - išeivių iš Kinijos kilmės amerikiečių fizikas, Stanfordo universiteto profesorius (nuo 1990 m.), tapęs JAV energetikos sekretoriumi (2008-2013), Nobelio premijos laureatas (1997). 1985 m. su bendradarbiais panaudojo susikertančius lazerio spindulius taikinio atomams lėtinti sumažinant jų greitį nuo 4000 km/val. iki 1 km/val., o jų temperatūrai tampant beveik lygiai absoliučiam nuliui. Sukūrė atomų gaudyklę, kurioje galima tirti vadinamuosius užšaldytus atomus.

6) Vladilenas Letochovas (1939-2009) – tarybinis fizikas teoretikas, lazerių teorijos pradininkas, pasiūlęs lazerinį atomų atšaldymo metodą; 850 straipsnių ir 14 monografijų autorius. Pasižymėjo lazerinėje spektrografijoje, o taip pat nanooptikoje, nanofotonikoje ir nanoplazmonikoje.

Triukšmai
Superlaidumas
Planeta su skyle
Galileo Galilėjus
Garo tramdytojas
Langų stiklas Lietuvoje
2018 metai matematikoje
Žygiuojam į Saulės amžių
Genijaus keliai ir klystkeliai
Galvaninės teorijos pradžia
Dž. Bruno mirtis ir nemirtingumas
8-i alternatyvūs energijos šaltiniai
2018 m. atradimai fizikoje ir astronomijoje
El. dalelių simetrija persmelkia viską
Artileristas, atradęs sustingusio laiko sferą
Kvantinė chemija – ateities mokslas?
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Celuloidas: plastmasių prosenelis
Lemtingasis Rentgeno atradimas
Elektra, kol dar nebuvo vartotojų
S. Lemas. Trumpas sujungimas
Sunkusis ir metalinis vandenilis
Robotai - dirbtiniai žmonės
Hadronų koliderio kūrėjas
Nobelio fizikos laureatai
Nekritinė stygų teorija
Senovės mechanika
Stikliniai laidai
Vartiklis