Укротители лазерных лучей

Луч рентгеновского лазера направлен на капли воды с кристаллами бактериального фермента. Вверху справа – атомная структура фермента. Иллюстрация Physorg

Среди нобелевских лауреатов по физике насчитывается теперь 206 мужчин и всего три женщины, одна из которых канадская исследовательница Донна Стрикленд, уроженка г. Гуэлф, что на юге провинции Онтарио. Свою первую степень бакалавра она получила в Университете МакМастерса в г. Гамильтон, после чего поступила в Университет Рочестера (США). Там ее жизненные и научные пути пересеклись с энергичным и талантливым французом Жераром Муру, родившимся 22 июня 1944 года и окончившим в 23 года Университет Гренобля. Там же еще через шесть лет Муру защитил диссертацию, после чего прошел годичную стажировку в Калифорнийском университете Сан-Диего. В 1977 году Муру стал сотрудником Университета Рочестера, где его помощницей была Донна, работавшая под его руководством над своей диссертацией.

Похоже, что именно она и предложила решение проблемы, мучившей лазерщиков, поскольку в их совместной работе «Сжатие (компрессия) усиленных оптических импульсов», опубликованной 1 декабря 1985 года в малоизвестном журнале Optics Communications, ее имя стояло на первом месте. Суть проблемы заключалась в невозможности усиливать лазерные импульсы в силу того, что возрастающая их мощность грозила разрушением усилителей-амплификаторов.

Донна Стрикленд использовала преимущество появившегося незадолго до этого оптоволокна, с помощью которого применила метод усиления радиолокационных импульсов. Метод авторы назвали «щебетание» (chirp), поскольку щебет птиц имеет перепады по высоте тона и соответственно частотам пения. В радиолокации усиление сигнала достигается с помощью «фрагментирующих», или дифракционных, решеток, что было использовано для первоначального растягивания световых импульсов. После этого отдельные их частоты усиливались раздельно. Последующее сжатие-компрессия позволило получить первые световые импульсы продолжительностью не более пикосекунды (10–12 с). Сегодня на фоне современных амплификаторов, с помощью которых получают фемто- и аттосекундные световые импульсы (10–15 и 10–18  с соответственно), это выглядит не столь впечатляюще.

После десяти лет, проведенных в Рочестере, Муру перебрался в университет соседнего штата Мичиган, а в 2004 году вернулся в Париж. Через четыре года он был избран иностранным членом Российской академии наук, а затем получил грант в Нижегородском университете.

В Южной Корее испытывается сверхмощный лазер мощностью 4 петаватта (4 х 1015 Ватт), а в Китае хотят построить «станцию» в 100 петаватт. Ее импульсы смогут «пробивать» вакуум, разделяя пары частица–античастица. Исследователи, работающие на Гамбургском рентгеновском лазере на ускоренных электронах, в день присуждения премии сообщили о получении 3D-структуры с атомным разрешением микробного фермента, разрушающего пенициллин. Вполне возможно, что со временем одна из Нобелевских премий будет присуждена создателям средств против бактериальной устойчивости к антибиотикам, грозящей всему человечеству.

Отец самого возрастного на сегодня лауреата прибыл к берегам американской мечты из Одессы. По другую сторону океана его записали «Ашкенази», что породило фамилию Эшкин (Ashkin). Младшего сына он назвал в память о легендарном короле Артуре, заседавшем со своими рыцарями вокруг Круглого стола. Оба его сына бредили наукой, и старший оказался среди разработчиков ядерного Манхэттенского проекта во главе с Энрико Ферми. Секреты этого проекта немец Фукс в свое время передал союзникам по борьбе с фашизмом.

Созданный Чарльзом Таунсом световой амплификатор, названный сокращенно лазером, своими возможностями захватил воображение не слишком-то молодого на тот момент Артура Эшкина. Первая его статья, посвященная описанию подвешивания (левитации) капелек жидкости с помощью радиационного давления лазерного луча, была опубликована в 1975 году. Через пять лет престижный журнал Science дал его большой обзор о приложениях «лучистого» давления.

Эшкин много работал, о чем свидетельствуют чуть ли не полсотни выданных ему патентов. Его имя связывают с оптическим пинцетом (tweezer), представляющим собой «вазу» лазерного излучения с утоньшенной серединой (что можно сравнить с песочными часами). Увлекшийся модной тогда молекулярной биологией, Эшкин пытался решить задачу удержания молекулы ДНК, прикрепленной одним из концов к поверхности пластиковой бусинки. Действие электрического поля поляризовало ее поверхность, и изобретатель увидел, что поляризация увлекает частицу к центральной оси лазерного пучка, где его мощность максимальна.

Оказалось, что кроме частиц оптическая ловушка позволяет удерживать вирусные частицы и даже бактериальные клетки, а затем с помощью светового пинцета стали передвигать атомы. В марте 1987 года Science опубликовал его статью «Оптическое улавливание и манипуляция вирусами и бактериями».

Артур Эшкин долгие годы работал в одной из ведущих электро- и электронных компаний, но в конце концов вышел на заслуженный отдых и проживает в одном из городков штата Нью-Джерси, что через Гудзон от Манхэттена. Там его, 96-летнего, и застало сообщение о премии…