Τρίτη, 2 Οκτωβρίου 2018

Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2018 στις επαναστατικές τεχνικές των λέιζερ. Nobel physics prize winners include first female laureate for 55 years

Οι Άρθουρ Άσκιν (ΗΠΑ), Ζεράρ Μουρού (Γαλλία) και Ντόνα Στρίκλαντ (Καναδάς) βραβεύονται με το Νόμπελ Φυσικής 2018 για τις έρευνές τους στον τομέα της Φυσικής των Λέιζερ. American Arthur Ashkin, Frenchman Gérard Mourou and Canadian Donna Strickland share annual award for advances in laser physics. (Photo Credits: File Image)

Το βραβείο Νόμπελ 2018 στην Φυσική απονέμεται στους Arthur Ashkin (1/2) και στους Gérard Mourou (1/4) και Donna Strickland (1/4) (μοιράζονται το άλλο μισό) «για τις πρωτοποριακές έρευνές τους στην φυσική των λέιζερ».

A screen displays portraits of Arthur Ashkin of the United States, Gérard Mourou of France and Donna Strickland of Canada during the announcement of the winners of the 2018 Nobel prize in physics. Photograph: Hanna Franzen/AFP/Getty Images

Το πρώτο μισό του βραβείου απονέμεται στον Arthur Ashkin (Bell Laboratories, Holmdel, USA) «για την οπτική λαβίδα (ή τσιμπίδα λέιζερ) και τις εφαρμογές της σε βιολογικά συστήματα» και το δεύτερο μισό μοιράζονται οι Gérard Mourou (École Polytechnique, Palaiseau, France University of Michigan, Ann Arbor, USA) και η Donna Strickland (University of Waterloo, Canada) «για την μέθοδό τους που δημιουργεί οπτικούς παλμούς μεγάλης έντασης και πολύ μικρής διάρκειας».

H Donna Strickland είναι η πρώτη γυναίκα που βραβεύεται με Νόμπελ στη φυσική μετά από 55 χρόνια. To 1963 η Maria Goeppert-Mayer βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής για το μοντέλο των φλοιών του πυρήνα των ατόμων. Η Marie Curie είναι η τρίτη γυναίκα που τιμήθηκε με το Νόμπελ φυσικής, το 1903.

Εργαλεία φτιαγμένα από φως

Οπτική λαβίδα. Optical tweezers were invented by Ashkin in 1970. If a laser beam is focussed by a high numerical aperture objective, small objects with an index of refraction higher that the immersion medium are attracted to the focal spot. Typically, plastic beads in water will be trapped to the focal spot. This allows one to move them about and thus to manipulate micron-sized objects in a non invasive way just by using a light beam, in a manner reminiscent of the Star Wars “tractor beam”. The trapping effect results from the deflection of the laser light by the bead when it is pushed out of focus by Brownian motion. The laser power required is on the order of a few milliwatts.

Οι ανακαλύψεις που τιμήθηκαν φέτος με το Νόμπελ φυσικής έχουν φέρει επανάσταση στην φυσική των λέιζερ. O χειρισμός εξαιρετικά μικρών αντικειμένων και η παρακολούθηση απίστευτα γρήγορων διαδικασιών ανοίγει νέους δρόμους στον μικρόκοσμο, με την δυνατότητα κατασκευής προηγμένων οργάνων ακριβείας και την δημιουργία πολλών βιομηχανικών και ιατρικών εφαρμογών.

Ο Arthur Ashkin εφηύρε τις οπτικές λαβίδες (ή τσιμπίδες λέιζερ) με τις οποίες οι φυσικοί «πιάνουν» σωματίδια, άτομα, ιούς και ζωντανά κύτταρα. Αυτό το νέο εργαλείο επέτρεψε στον Ashkin να πραγματοποιήσει το παλιό όνειρο της επιστημονικής φαντασίας – την μετακίνηση φυσικών αντικειμένων χρησιμοποιώντας την ώθηση της ακτινοβολίας. Κατάφερε με το φως του λέιζερ να ωθήσει μικρά σωματίδια προς το κέντρο της δέσμης και να τα κρατήσει εκεί. Έτσι ανακαλύφθηκαν οι οπτικές λαβίδες.
Οπτική λαβίδα

Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε το 1987, όταν ο Ashkin χρησιμοποίησε τις οπτικές λαβίδες για να συλλάβει ζωντανά βακτήρια χωρίς να τα καταστρέψει. Άρχισε αμέσως να μελετά βιολογικά συστήματα και οι οπτικές τσιμπίδες χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα στην έρευνα του μηχανισμού της ζωής.

Ο  Gérard Mourou και η Donna Strickland άνοιξαν το δρόμο για την δημιουργία των συντομότερων και ισχυρότερων παλμών λέιζερ που έγιναν ποτέ.

Το επαναστατικό τους άρθρο δημοσιεύθηκε το 1985 και ήταν το θέμα της διδακτορικής διατριβής της Strickland. Χρησιμοποιώντας μια έξυπνη προσέγγιση, κατάφεραν να δημιουργήσουν υπερ-βραχείς παλμούς λέιζερ με υψηλή ένταση, χωρίς την καταστροφή του υλικού ενίσχυσης.

Πρώτα άπλωσαν χρονικά τους παλμούς λέιζερ για να μειώσουν την μέγιστη ισχύ τους, στη συνέχεια τους ενίσχυσαν, και τελικά τους συμπίεσαν. Αν ένας παλμός συμπιεστεί χρονικά και γίνει συντομότερος, τότε πακετάρεται περισσότερο φως στον ίδιο μικροσκοπικό χώρο, οπότε η ένταση του παλμού αυξάνεται δραματικά.

Έτσι, οι Strickland και Mourou ανακάλυψαν μια νέα τεχνική ενίσχυσης παλμών λέιζερ που ονομάζεται Chirped Pulse Amplification (CPA) και σύντομα καθιερώθηκε στα επόμενα λέιζερ υψηλής έντασης. Υπάρχουν αμέτρητοι τομείς εφαρμογών, όπως για παράδειγμα στις οφθαλμολογικές επεμβάσεις που χρησιμοποιούνται όλο και ακριβέστερες δέσμες λέιζερ.