Εργαλεία φτιαγμένα από φως (Νόμπελ Φυσικής 2018)

Posted on 14/10/2018

1


Οι ερευνητές Arthur Ashkin, Gérard Mourou και η Donna Strickland, που τιμήθηκαν φέτος με το Νόμπελ φυσικής 2018 έχουν φέρει επανάσταση στην φυσική των λέιζερ. Με τις ανακαλύψεις τους έγινε δυνατός ο χειρισμός εξαιρετικά μικρών αντικειμένων, καθώς επίσης και η παρακολούθηση απίστευτα γρήγορων διαδικασιών, που ανοίγουν νέους δρόμους στην έρευνα του μικρόκοσμου. Όχι μόνο η φυσική, αλλά και η χημεία, η βιολογία και φαρμακευτική έχουν αποκτήσει όργανα ακριβείας για τη βασική έρευνα αλλά και για τις πρακτικές εφαρμογές.

Ο Arthur Ashkin (1/2 του βραβείου) εφηύρε τις οπτικές λαβίδες (ή τσιμπίδες λέιζερ). Πρόκειται για μια μέθοδο με την οποία οι δέσμη του λέιζερ μπορεί να «πιάσει» και να μετακινήσει σωματίδια, άτομα και μόρια, αλλά και ιούς, βακτήρια και ζωντανά κύτταρα χωρίς να τα καταστρέφει.  Έτσι, ο Ashkin να πραγματοποίησε το παλιό όνειρο της επιστημονικής φαντασίας – την μετακίνηση φυσικών αντικειμένων χρησιμοποιώντας την ώθηση της ακτινοβολίας. Οι οπτικές λαβίδες του Ashkin έχουν δημιουργήσει πρωτοποριακές δυνατότητες για την παρατήρηση και την μελέτη του μηχανισμού της ζωής.

Ο  Gérard Mourou (1/4) και η Donna Strickland (1/4) άνοιξαν το δρόμο για την δημιουργία των βραχύτερων και ισχυρότερων παλμών λέιζερ που έγιναν ποτέ. Η τεχνική τους που ονομάζεται Chirped Pulse Amplification (CPA), άνοιξε νέους τομείς έρευνας και οδήγησε σε πάρα πολλές βιομηχανικές και ιατρικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, οι εκατομμύρια οφθαλμολογικές επεμβάσεις που γίνονται κάθε χρόνο με λέιζερ βασίζονται στην τεχνική που ανέπτυξαν οι Mourou και Strickland.

Ταξιδεύοντας σε δέσμες φωτός

Ο Arthur Ashkin είχε ένα όνειρο: φανταζόταν ακτίνες φωτός να μεταφέρουν αντικείμενα. Στη σειρά επιστημονικής φαντασίας Star Trek, που παιζόταν στις τηλεοράσεις στα μέσα της δεκαετίας του 1960, χρησιμοποιούνταν δέσμες φωτός για την ανάκτηση αντικειμένων, ακόμα και αστεροειδών στο διάστημα. Κι αυτό ήταν καθαρή επιστημονική φαντασία.

Οι ακτίνες φωτός μεταφέρουν ενέργεια – αισθανόμαστε την θερμότητα όταν πέφτουν πάνω μας, όχι όμως και την πίεσή τους που είναι υπερβολικά μικρή. Θα μπορούσε μια δέσμη φωτός να ωθήσει πάρα πολύ μικρά σωματίδια και άτομα; Αμέσως μετά την εφεύρεση του πρώτου λέιζερ το 1960 ο Ashkin άρχισε να πειραματίζεται προς αυτή την κατεύθυνση στα εργαστήρια Bell που βρίσκονται έξω από την Νέα Υόρκη. Σε ένα λέιζερ, τα κύματα φωτός βρίσκονται σε συμφωνία, αντίθετα με το λευκό φως όπου τα χρώματα του ουρανίου τόξου αναμειγνύονται και σκεδάζονται προς όλες τις κατευθύνσεις.

Ο Ashkin συνειδητοποίησε ότι ένα λέιζερ ήταν το τέλειο εργαλείο με το οποίο δέσμες φωτός θα μπορούσαν να μετακινήσουν μικρά σωματίδια. Έριχνε μια δέσμη φωτός σε διαφανείς σφαίρες με μέγεθος της τάξης του μικρομέτρου, και παρατηρούσε τις σφαίρες να μετακινούνται. Ταυτόχρονα διαπίστωνε με έκπληξη ότι οι σφαίρες είχαν την τάση να κινούνται προς στο μέσον της δέσμης, όπου ήταν και πιο ισχυρή. Η ένταση μιας δέσμης φωτός μειώνεται από το κέντρο της προς τα έξω και ως εκ τούτου η πίεση της ακτινοβολίας που ασκεί η δέσμη στα σωματίδια μεταβάλλεται, ωθώντας τα προς το εσωτερικό της δέσμης, η οποία συγκρατεί τα σωματίδια στο κέντρο της. Επιπλέον, για να συγκρατηθούν τα σωματίδια στην διεύθυνση της δέσμης, ο  Ashkin πρόσθεσε έναν ισχυρό φακό για να εστιάσει το φως του λέιζερ. Μια παγίδα φωτός γεννήθηκε· αργότερα έγινε γνωστή ως οπτική λαβίδα (ή τσιμπίδα λέιζερ) [«Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure» , A. Ashkin Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970), «Trapping of Atoms by Resonance Radiation Pressure» , A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 40, 729 (1978), «Motion of Atoms in a Radiation Trap» , J. P. Gordon and A. Ashkin, Phys. Rev. A 21, 1606 (1980)]

Ο Ashkin δημιουργεί μια παγίδα φωτός, γνωστή ως οπτική τσιμπίδα

Zωντανά βακτήρια συλλαμβάνονται από το φως

Μετά από πολλά χρόνια και πολλές αποτυχίες, η παγίδευση μεμονωμένων ατόμων έγινε πραγματικότητα. Υπήρξαν πολλές δυσκολίες: μια από αυτές ήταν ότι χρειάζονταν ισχυρότερες δυνάμεις για να μπορέσουν οι οπτικές λαβίδες να «πιάσουν» τα άτομα και μια άλλη προέρχονταν από την θερμική κίνηση των ατόμων. Έπρεπε να βρεθεί ένας τρόπος να επιβραδυνθεί η θερμική κίνηση των ατόμων και να τοποθετηθούν σε πια περιοχή μικρότερη από την τελεία στο τέλος αυτής της πρότασης.

Όλες οι δυσκολίες ξεπεράστηκαν το 1986 όταν οι οπτικές λαβίδες συνδυάστηκαν με άλλες μεθόδους ώστε να επιβραδυνθούν τα άτομα και να παγιδευτούν [«Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles» , A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and Steven Chu]. Ενώ η επιβράδυνση των ατόμων έγινε ένας τομέας έρευνας από μόνος του, ο Arthur Ashkin ανακάλυψε μια εντελώς νέα εφαρμογή των οπτικών λαβίδων – την μελέτη βιολογικών συστημάτων.  Ωστόσο, βοήθησε και η τύχη σ’ αυτό, όταν παρατήρησε βακτήρια καθώς πλησίαζαν την δέσμη λέιζερ να συλλαμβάνονται από τις οπτικές παγίδες. Όμως η πράσινη ακτίνα του λέιζερ σκότωνε τα βακτήρια, οπότε μια ασθενέστερη δέσμη ήταν απαραίτητη ώστε να επιβιώνουν. Σε αόρατο υπέρυθρο φως τα βακτήρια παρέμεναν ζωντανά και μπορούσαν να αναπαραχθούν στην παγίδα.

Έκτοτε, ο Ashkin άρχισε να μελετά διάφορα βακτήρια, ιούς και ζωντανά κύτταρα. Απέδειξε ότι είναι δυνατή η μελέτη των κυττάρων χωρίς να καταστρέψει την κυτταρική μεμβράνη.

Ο Ashkin με τις οπτικές του λαβίδες άνοιξε έναν ολόκληρο κόσμο νέων εφαρμογών. Μια σημαντική εφαρμογή σχετίζεται με την μελέτη και διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων των κινητικών μακρομορίων – μεγάλα μόρια που εκτελούν ζωτικής σημασίας εργασίες μέσα στα κύτταρα. To πρώτο μακρομόριο που μελετήθηκε διεξοδικά χρησιμοποιώντας ως εργαλεία το φως των λέιζερ ήταν η κινητική πρωτεΐνη κινεσίνη και η σταδιακή της κίνηση κατά μήκος των μικροσωληνίσκων, που αποτελούν τις μεγαλύτερες δομές του κυτταρικού σκελετού.

Χάρη στις οπτικές λαβίδες μελετήθηκε η λειτουργία της πρωτεΐνης κινεσίνης καθώς αυτή κινείται κατά μήκος του κυτταρικού σκελετού

Από την επιστημονική φαντασία στις πρακτικές εφαρμογές

Τα τελευταία χρόνια πολλοί ερευνητές εμπνεύστηκαν από τις μεθόδους του Ashkin και τις βελτίωσαν ακόμα περισσότερο. Σήμερα, η ανάπτυξη πολλών εφαρμογών βασίζεται στις οπτικές λαβίδες και καθιστούν δυνατή την παρατήρηση, την περιστροφή, τον τεμαχισμό, την απώθηση και την έλξη των μικροσκοπικών αντικειμένων που ερευνούμε, χωρίς να τα αγγίζουμε. Σε πολλά εργαστήρια, οι οπτικές λαβίδες αποτελούν τον βασικότερο εξοπλισμό για την μελέτη των βιολογικών διαδικασιών, όπως η λειτουργία κινητικών μακρομορίων, των πρωτεϊνών και του DNA, και γενικότερα την εσωτερική ζωή των κυττάρων. Η οπτική ολογραφία βρίσκεται μεταξύ των πιο πρόσφατων εφαρμογών, όπου χιλιάδες οπτικές λαβίδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα, για παράδειγμα στον διαχωρισμό υγιών κυττάρων του αίματος από αυτά που είναι μολυσμένα, μια διαδικασία που θα μπορούσε να εφαρμοστεί στην καταπολέμηση της ελονοσίας.

Το σίγουρο είναι πως η εξέλιξη των οπτικών λαβίδων του Arthur Ashkin, μιας επιστημονικής φαντασίας που έγινε πραγματικότητα, θα συνεχίσει να μας εκπλήσσει. Το δεύτερο μέρος του φετινού βραβείου Νόμπελ στη Φυσική – η ανακάλυψη των υπερ-βραχέων και σούπερ-ισχυρών παλμών λέιζερ – ανήκε κι αυτή κάποτε στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας.

Νέα τεχνολογία για υπερ-βραχείς και υψηλής έντασης παλμούς φωτός

H έμπνευση ήρθε από ένα εκλαϊκευμένο επιστημονικό άρθρο που περιέγραφε το ραντάρ και τα μακρά ραδιοκύματα. Ωστόσο, η μεταφορά αυτής της ιδέας στα συντομότερα οπτικά κύματα φωτός υπήρξε δύσκολη, και στη θεωρία και στην πράξη. Η πρωτοποριακή ιδέα περιγράφηκε σε ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε τον Δεκέμβριο του 1985, και ήταν η πρώτη δημοσίευση της Donna Strickland [«Compression of amplified chirped optical pulses» , Donna Strickland, Gerard Mourou]

Η Strickland από τον Καναδά βρέθηκε στο Πανεπιστήμιο του Rochester στις ΗΠΑ, για να εκπονήσει την διδακτορική της διατριβή πάνω στην φυσική των λέιζερ, με επιβλέποντα καθηγητή τον Gérard Mourou.

Μια από τις μεγαλεπίβολες ιδέες που είχε ο Gérard Mourou εκείνη την εποχή – η ιδέα της ενίσχυσης σύντομων παλμών σε πρωτοφανή επίπεδα – έχει πλέον υλοποιηθεί.

Το φως του λέιζερ μπορεί να εκπέμπεται σε παλμούς. Από τότε που εφευρέθηκαν τα λέιζερ, περίπου 60 χρόνια πριν, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να δημιουργήσουν όλο και πιο ισχυρούς παλμούς. Ωστόσο, αυτό επετεύχθη στα μέσα της δεκαετίας του 1980. Για τους πολύ σύντομους παλμούς δεν ήταν πρακτικά δυνατή η αύξηση της έντασης του φωτός χωρίς να καταστραφεί το υλικό ενίσχυσης.

Η επαναστατική τεχνική των λέιζερ CPA, κάνει δυνατή την εκπομπή πολύ ισχυρών και σύντομων παλμών φωτός χρησιμοποιώντας μια σύνθετη μέθοδο για την αποφυγή καταστροφής του υλικού ενίσχυσης. Αντί ο παλμός φωτός να ενισχύεται άμεσα, αρχικά εκτείνεται χρονικά, μειώνοντας την μέγιστη ισχύ του. Στη συνέχεια ο παλμός ενισχύεται και όταν συμπιέζεται χρονικά συγκεντρώνεται όλο και περισσότερο φως στον ίδιο χώρο. Έτσι ο παλμός γίνεται εξαιρετικά ισχυρός.

Η νέα τεχνική των Strickland και Mourou, γνωστή ως ενισχυμένη παλμική δόνηση (CPA: Chirped Pulse Amplification), ήταν απλή και κομψή. Πάρτε έναν βραχύ παλμό λέιζερ, απλώστε τον χρονικά, ενισχύστε τον και αμέσως μετά συμπιέστε τον πάλι χρονικά.

Όταν ένας παλμός απλώνεται χρονικά, η μέγιστη ισχύς του γίνεται πολύ χαμηλότερη, ώστε να μπορεί στη συνέχεια να ενισχυθεί υπερβολικά χωρίς βλάβη του ενισχυτή. Στη συνέχεια, ο παλμός συμπιέζεται χρονικά, που σημαίνει ότι έχει πακεταριστεί πολύ περισσότερο φως σε μια μικρή περιοχή του χώρου – και η ένταση του παλμού τότε αυξάνεται δραματικά.

Μετά από λίγα χρόνια οι Strickland και Mourou κατάφεραν τα συνδυάσουν τα πάντα με επιτυχία. Ως συνήθως, έπρεπε να ξεπεράσουν πολλές πρακτικές αλλά και θεωρητικές δυσκολίες. Για παράδειγμα ο παλμός έπρεπε να τεντωθεί χρονικά χρησιμοποιώντας ένα νεοαποκτηθέν καλώδιο οπτικών ινών μήκους 2,5 km. Αλλά το φως δεν διαδίδονταν γιατί το καλώδιο είχε κοπεί κάπου στη μέση. Τελικά μετά από πολύ κόπο αποδείχθηκε πως αρκούσαν μόνο 1,4 χιλιόμετρα καλωδίου. Μια μεγάλη πρόκληση ήταν ο συγχρονισμός των διαφόρων σταδίων στην πειραματική διάταξη, που λύθηκε επίσης και το 1985, οι Strickland και Mourou ήταν σε θέση να αποδείξουν ότι το κομψό όραμά τους λειτουργούσε και στην πράξη.

Η τεχνική CPA που εφευρέθηκε από τους Strickland και Mourou έφερε επανάσταση στη φυσική λέιζερ.

Έγινε πρότυπο για όλα τα τελευταία λέιζερ υψηλής έντασης και άνοιξε δρόμους σε εντελώς νέες εφαρμογές και ερευνητικά πεδία στη φυσική, τη χημεία και την ιατρική. Οι πιο σύντομοι και οι πιο ισχυροί παλμοί λέιζερ από ποτέ μπορούν πλέον να δημιουργηθούν στο εργαστήριο.

Η ταχύτερη φωτογραφική μηχανή στον κόσμο

Πώς χρησιμοποιούνται αυτοί οι υπερ-βραχείς και ισχυροί παλμοί; Mια πρώτη εφαρμογή τους ήταν μελέτη του συνεχώς μεταβαλλόμενου μικρόκοσμου των μορίων και των ατόμων.

Εκεί τα πράγματα διαδραματίζονται πολύ γρήγορα, τόσο γρήγορα που παλαιότερα ήταν δυνατόν να περιγραφεί μόνο το πριν και το μετά. Αλλά με παλμούς τόσο σύντομους όσο ένα femtosecond (=10−15 sec= ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου), είναι δυνατόν να δούμε γεγονότα που προηγουμένως φαινόταν να είναι στιγμιαία.

Επιπλέον, η εξαιρετικά υψηλή ένταση ενός λέιζερ καθιστά το φως του εργαλείο για την αλλαγή των ιδιοτήτων της ύλης: οι μονωτές μπορούν να μετατραπούν σε αγωγούς και οι υπέρ-λεπτές ακτίνες λέιζερ μπορούν να κόψουν ή να τρυπήσουν διάφορα υλικά με εξαιρετική ακρίβεια – ακόμα και την ζωντανή ύλη.

Για παράδειγμα, τα λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν αποδοτικότερα αποθηκευτικά μέσα δεδομένων, στα οποία η αποθήκευση δεν γίνεται μόνο στην επιφάνεια του μέσου αλλά και σε μικροσκοπικές τρύπες βαθιά μέσα στο εσωτερικό του μέσου.

Οι βραχείς παλμοί ενός femtosecond λέιζερ (δεξιά) προκαλούν μικρότερη ζημιά στο υλικό απ’ ότι οι εκατομμύρια φορές μεγαλύτεροι χρονικά παλμοί ενός nanosecond λέιζερ (αριστερά). Υπερ-βραχείς και ισχυροί παλμοί λέιζερ χρησιμοποιούνται στις οφθαλμολογικές επεμβάσεις, την αποθήκευση δεδομένων και στην κατασκευή ιατρικών στέντ για την διεύρυνση αγγείων.

Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται επίσης και για την κατασκευή των χειρουργικών στέντ, των μικροσκοπικών μεταλλικών κυλίνδρων που τοποθετούνται για να διευρύνουν π.χ. τις στεφανιαίες αρτηρίες που τροφοδοτούν την καρδιά, ή άλλα αγγεία του ανθρωπίνου σώματος.

Όμως υπάρχουν πάρα πολλά πεδία εφαρμογών που δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί πλήρως. Ένα από τα νέα πεδία έρευνας τα τελευταία χρόνια είναι η φυσική των attoseconds (=ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου = 10−18 sec) που μας αποκαλύπτει τον μικροσκοπικό κόσμο των ηλεκτρονίων: Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο επίκεντρο όλων των χημικών διαδικασιών: συμμετέχουν στους χημικούς δεσμούς, είναι υπεύθυνα για τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες όλων των υλικών. Τώρα όχι μόνο παρατηρούμε αυτές τις διαδικασίες, αλλά μπορούμε και να τις ελέγξουμε.

Όσο πιο σύντομοι είναι οι παλμοί φωτός, τόσο πιο γρήγορες κινήσεις μπορούν να παρατηρηθούν. παλμούς φωτός. Οι υπερ-βραχείς παλμοί μερικών femtoseconds επιτρέπει την παρακολούθηση ατομικών φαινομένων.

Προς ακόμα πιο ακραίο φως

Πολλές εφαρμογές με αυτές τις νέες τεχνικές των λέιζερ βρίσκονται προ των πυλών – γρηγορότερα ηλεκτρονικά, πιο αποδοτικά ηλιακά κύτταρα, καλύτεροι καταλύτες, ισχυρότεροι επιταχυντές, νέες πηγές ενέργειας, και σχεδιασμός φαρμακευτικών προϊόντων. Δεν χωρά αμφιβολία πως υπάρχει έντονος ανταγωνισμός στη φυσική των λέιζερ.

Η Donna Strickland συνεχίζει την ερευνητική της καριέρα στον Καναδά, ενώ ο Gérard Mourou, ο οποίος επέστρεψε στη Γαλλία, συμμετέχει σε μια πανευρωπαϊκή πρωτοβουλία στον τομέα της τεχνολογίας λέιζερ, και σε άλλα πρότζεκτ. Ξεκίνησε και καθοδηγεί το πρόγραμμα Extreme Light Infrastructure (ELI), η διαφήμιση του οποίου ξεσήκωσε θύελλα αντιδράσεων, μετά το βραβείο Νόμπελ.

Το πρόγραμμα θα ολοκληρωθεί σε λίγα χρόνια σε τρεις χώρες – στην Τσεχία, την Ουγγαρία και τη Ρουμανία. Η προγραμματισμένη μέγιστη ισχύς είναι 10 petawatts (1 petawatt=1015 Watt) η οποία ισοδυναμεί με ένα απίστευτα σύντομο φλας από εκατό χιλιάδες δισεκατομμύρια λαμπτήρες.

Το εργαστήριο της κάθε χώρας θα ειδικευτεί σε συγκεκριμένους τομείς – η Ουγγαρία στην φυσική των attosecond, η Ρουμανία στην πυρηνική φυσική στο  και η Τσεχία στις δέσμες σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Νέες και ακόμα πιο ισχυρές εγκαταστάσεις προγραμματίζονται στην Κίνα, την Ιαπωνία, τις ΗΠΑ και τη Ρωσία.

Υπάρχουν ήδη εικασίες για το επόμενο βήμα: μια δεκαπλάσια αύξηση της ισχύος, στα 100 petawatts. Τα οράματα για το μέλλον της τεχνολογίας λέιζερ δεν σταματούν εκεί. Γιατί όχι και ισχύ ενός zettawatt (ένα εκατομμύριo petawatts = 1021 watt), ή παλμούς μικρότερης διάρκειας από τα zeptoseconds, που ισοδυναμούν με το σχεδόν αδιανόητα μικροσκοπικό χρονικό διάστημα των 10-21 δευτερολέπτων; Νέοι ορίζοντες ανοίγουν, από μελέτες της κβαντικής φυσικής στο κενό, μέχρι την παραγωγή ισχυρών δεσμών πρωτονίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καταστροφή των καρκινικών κυττάρων.

Το σίγουρο είναι πως οι ανακαλύψεις των βραβευθέντων με το Νόμπελ φυσικής 2018, Ashkin, Mourou και Strickland, μας επιτρέπουν να ερευνήσουμε τον μικρόκοσμο με το πνεύμα του Alfred Nobel – με σκοπό το μέγιστο όφελος για την ανθρωπότητα.

Η εξέλιξη της ανάπτυξης παλμών λέιζερ υψηλής έντασης. Η τεχνική CPA αποτελεί ορόσημο.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: https://old.nobelprize.org/phy-popular.pdf?_ga=2.235453385.9398002.1538386270-1502771880.1538386270 και ΕΔΩ:https://old.nobelprize.org/phy-sci.pdf?_ga=2.235453385.9398002.1538386270-1502771880.1538386270

Posted in: ΦΥΣΙΚΗ