Объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике 2018 года

Сегодня, 2 октября 2018 года, в Стокгольме прошла церемония объявления лауреатов Нобелевской премии по физике. Премию вручили «за прорывные открытия в области лазерной физики». В формулировке отмечено, что половина приза уходит Артуру Эшкину (Arthur Ashkin) за «оптические пинцеты и их использование в биологических системах» и другая половина — Жерару Муру (Gérard Mourou) и Донне Стрикленд (Donna Strickland) «за их метод генерирования высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».

BREAKING NEWS⁰The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Physics 2018 “for groundbreaking inventions in the field of laser physics” with one half to Arthur Ashkin and the other half jointly to Gérard Mourou and Donna Strickland. pic.twitter.com/PK08SnUslK

— The Nobel Prize (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Артур Эшкин изобрел оптический пинцет, способный захватывать и перемещать отдельные атомы, вирусы и живые клетки, причем не повреждая их. Делает он это за счет фокусировки лазерного излучения и использования градиентных сил, втягивающих частицы в область с более высокой интенсивностью электромагнитного поля. Впервые захватить живую клетку таким образом удалось в 1987 году как раз группе Эшкина. В настоящий момент этот метод широко используется для изучения вирусов, бактерий, клеток человеческих тканей, а также в манипуляциях отдельными атомами (для создания наноразмерных систем).

Жерару Муру и Донне Стрикленд впервые удалось создать источник ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности без уничтожения рабочей среды лазера в 1985 году. До их исследований значительное усиление короткоимпульсных лазеров было невозможно: однократный проход импульса через усилитель приводил к разрушению системы из-за слишком большой интенсивности.

Разработанный Муром и Стрикленд метод генерации импульсов сегодня называют усилением чирпированных импульсов: чем короче лазерный импульс, тем шире его спектр, и все спектральные компоненты распространяются вместе. Однако с помощью пары призм (или дифракционных решеток) спектральные компоненты импульса можно задержать относительно друг друга перед попаданием в усилитель и тем самым уменьшить интенсивность излучения в каждый момент времени. После этого такой чирпированный импульс усиливают оптической системой, а затем снова сжимают до короткого импульса — с помощью оптической системы с обратной дисперсией (как правило, дифракционных решеток).

Ultra-sharp laser beams make it possible to cut or drill holes in various materials extremely precisely – even in living matter. Millions of eye operations are performed every year with the sharpest of laser beams.#NobelPrize pic.twitter.com/MiYb4i8AHw

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 2, 2018

Усиление чирпированных импульсов позволило добиться создания работоспособных фемтосекундных лазеров заметной мощности. Они способны давать мощные импульсы, длительностью в квадрилионные доли секунды. На их основе сегодня создан целый ряд перспективных систем как в электронике, так и в лабораторных установках, важных для целого ряда областей физики. При этом они постоянно находят себе новые, часто неожиданные области практического применения.

Например, метод фемтосекундной лазерной коррекции зрения (SMall Incision Lenticula Extraction) позволяет удалять часть роговицы глаза человека и тем самым корректировать близорукость. Хотя сам подход лазерной коррекции был предложен еще в 1960-х, до появления фемтосекундных лазеров мощности и краткости импульсов не хватало для эффективной и безопасной работы с глазом: длительные импульсы перегревали ткани глаз и повреждали их, а короткие были слишком слабыми для получения нужного надреза в роговице. Сегодня миллионы людей по всему миру прооперированы с использованием подобных лазеров.

Кроме этого, фемтосекундные лазеры благодаря малой длительности своих импульсов позволили создать приборы, отслеживающие и контролирующие сверхбыстрые процессы как в физике твердого тела, так и в оптических системах. Это чрезвычайно важно, потому что до получения средства фиксации процессов, идущих на таких скоростях, было практически невозможно изучать поведение целого ряда систем, на основе которых, как предполагается, можно будет создать перспективную электронику будущего.

Алексей Щербаков, старший научный сотрудник Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, дал комментарий «Чердаку»: «Нобелевская премия для Жерара Муру за вклад в разработку фемтосекундных лазеров назревала очень давно, десять лет или, может быть, больше. Роль соответствующих работ поистине фундаментальная, и лазеры такого рода находят все больше применений по всему миру. Сегодня уже трудно даже перечислить все области, где их используют. Правда, я затрудняюсь сказать, чем вызвано решение Нобелевского комитета объединить в одной премии и Муру, и Ашкина, разработки которых напрямую не связаны. Это, действительно, не самое очевидное решение со стороны комитета. Может быть, решили, что дать премию только Муру или только Ашкину нельзя, а вот если за одно направление дать половину премии, а за другое — другую половину, то это будет выглядеть достаточно обосновано».

Нобелевская премия по физике — высшая награда за научные достижения в соответствующей науке — ежегодно присуждается Шведской королевской академией наук в Стокгольме. Она была учреждена по завещанию шведского химика и предпринимателя Альфреда Нобеля. Премия может быть присуждена максимум троим ученым одновременно. Денежное вознаграждение могут распределить между ними поровну либо разделить на половину и две четверти. В 2017 году денежная премия была повышена сразу на одну восьмую — с восьми до девяти миллионов крон (примерно 1,12 миллиона долларов).

Каждый лауреат получает медаль, диплом и денежное вознаграждение. Медали и денежные призы лауреатам традиционно вручат на ежегодной церемонии в Стокгольме 10 декабря — в годовщину смерти Нобеля.

Первую Нобелевскую премию по физике вручили в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену за открытие и изучение свойств лучей, которые позднее назвали в его честь. Интересно, что ученый принял премию, но отказался приехать на церемонию вручения, сказав, что очень занят. Поэтому награду ему переслали почтой. Когда правительство Германии во время Первой мировой войны обратилось к населению с просьбой помочь государству деньгами и ценностями, Рентген отдал все свои сбережения, включая Нобелевскую премию.

В прошлом — 2017 году — Нобелевскую премию по физике получили Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн. Эти три физика внесли решающий вклад в детектор LIGO, обнаруживший гравитационные волны. Теперь с их помощью стало возможно отслеживать слияния невидимых для телескопов нейтронных звезд и черных дыр.

Интересно, что со следующего года ситуация с выдачей Нобелевских премий может заметно измениться. Нобелевский комитет будет рекомендовать экспертам, принимающим решения по премиям, подбирать кандидатов с учетом пола, чтобы среди них было больше женщин, а также по этнической принадлежности, для увеличения количества представителей не западных народов). Впрочем, вероятно, это не коснется физики — до сих пор всего двое лауреатов этой премии были женщинами. И только в этом году Донна Стрикленд стала третьей.

Подробное объяснение сути открытия ученых и его значение для физики читайте в нашем большом материале «Инструменты из света».