Nobel fizica 2018 Star Trek a devenit realitate: raza de lumină care poate muta obiecte. Plus: cele mai scurte și mai intense impulsuri laser create de omenire

Arthur Ashkin a inventat penseta optică cu care apucă particulele, atomii și moleculele, fără ca acestea să fie afectate, iar Gérard Mourou și Donna Strickland au pregătit calea pentru cele mai scurte și mai intense impulsuri laser create de omenire.

Unelte realizate din lumină

Arthur Ashkin a avut un vis: imaginați-vă cum un fascicul de lumină ar putea muta obiecte. În seria Star Trek din anii 60 unda de tractare poate fi folosită pentru a prelua obiecte, chiar și asteroizi în spațiu, fără să le atingă. Bineînțeles, asta pare a fi o ficțiune științifică pură. Putem simți că razele solare au energie – ne încălzim la soare – deși presiunea este prea mică. Dar ar putea forța să fie suficientă pentru a împinge particule și atomi extrem de mici?

Imediat după inventarea primului laser în 1960, Ashkin a început să experimenteze noul instrument la Bell Laboratories în afara New York-ului. Într-un laser, razele luminoase se mișcă coerent, spre deosebire de lumina albă obișnuită, în care razele sunt amestecate în toate culorile curcubeului și împrăștiate în toate direcțiile. Ashkin își dă seama că un laser ar fi instrumentul perfect pentru ca razele de lumină sa poata muta particule mici.

Presiunea pe care o exercită lumina laser asupra particulelor variază, ceea ce ține particulele în centrul său. A adăugat o lentilă puternică si apoi particulele au fost atrase spre punctul care a avut cea mai mare intensitate a luminii. S-a născut o capcană; a devenit cunoscută sub numele de pensetă optică.

Bacteriile vii capturate de lumină

După câțiva ani și numeroase obstacole, atomii individuali ar putea fi prinși în capcană.

Totul s-a intamplat în 1986, când pensetă optică a fost combinată cu alte metode de oprire a atomilor și de capturare a acestora. Arthur Ashkin a descoperit o utilizare cu totul nouă – studierea sistemelor biologice.

Cu toate acestea, fasciculul său laser verde a ucis bacteriile, deci era nevoie de un fascicul mai slab pentru a supraviețui. În lumina infraroșie invizibilă, bacteriile au rămas nevătămate și au reușit să se reproducă în capcană. Arthur Ashkin a demonstrat chiar că este posibil să ajungă în celule fără a distruge membrana celulară.

De la ficțiune științifică la practică

În multe laboratoare, penseta cu laser face parte din echipamentul standard pentru studierea proceselor biologice, cum ar fi proteine individuale, motoare moleculare, ADN sau viața interioară a celulelor. Holografia optica este printre cele mai recente evoluții în care mii de pensete pot fi utilizate simultan, de exemplu pentru a separa celulele sanguine sanatoase de cele infectate, ceva care ar putea fi aplicat pe scară largă în combaterea malariei.

A doua parte a premiului din acest an a fost invenția pulsurilor laser ultrascurte și super-puternice. Descoperirea a fost descrisă în articolul publicat în decembrie 1985 și a fost prima publicație științifică a Donnei Strickland. De când au fost inventate laserele, cu aproape 60 de ani în urmă, cercetătorii s-au străduit să creeze impulsuri mai intense. Cu toate acestea, pe la mijlocul anilor 1980, s-a ajuns la un impas. Pentru impulsuri scurte nu mai era posibilă creșterea intensității luminii fără a distruge materialul de amplificare.

Tehnica nouă a lui Strickland și a lui Mourou, cunoscută drept chirped pulse amplification, CPA, a fost simplă și elegantă. Luați un impuls laser scurt, întindeți-l in timp, amplificați-l și strângeți-l din nou. Când un impuls este întins în timp, puterea sa de vârf este mult mai scăzută, astfel încât poate fi amplificată foarte mult fără a deteriora amplificatorul. Pulsul este apoi comprimat în timp, ceea ce înseamnă că mai multă lumină este împachetată împreună într-un spațiu mic – iar intensitatea pulsului crește apoi dramatic.

Tehnica CPA inventată de Strickland și Mourou a revoluționat fizica laserului. A devenit standard pentru cele mai recente lasere de înaltă intensitate cu aplicații în fizică, chimie și medicină. Cele mai scurte și mai intense pulsuri laser ar putea fi create acum în laborator.

Cea mai rapidă cameră de filmat din lume

Cum se utilizează aceste impulsuri ultrascurte și intense? O primă zonă de utilizare a fost iluminarea rapidă a ceea ce se întâmplă între molecule și atomi în lumea microbiană în continuă schimbare. Lucrurile se întâmplă repede, atât de repede încât pentru o lungă perioadă de timp era posibil să se descrie doar înainte și după. Dar, cu impulsuri scurte de o femtosecundă, un milion de miliarde dintr-o secundă, (o femtosecundă este pentru o secundă precum o secundă este pentru aproximativ 32 de milioane de ani) este posibil să vedem evenimente care până acum păreau instantanee.

Cu cât lumina este mai rapidă, cu atât mai repede se pot observa mișcările. Impulsurile laser aproape de neconceput de scurte sunt atat de rapide ca câteva femtosecunde și pot fi chiar de o mie de ori mai rapide, attoseconde. Acest lucru permite sa filmezi evenimente, care alta data puteau fi doar ghicite; mișcarea electronilor în jurul unui nucleu atomic poate fi acum observată cu o attosecundă.

O intensitate extrem de mare a laserului face ca lumina să fie un instrument pentru schimbarea proprietăților materiei: izolatoarele electrice pot fi transformate în conductori, iar razele laser ultra-ascuțite fac posibilă tăierea sau găurirea în diverse materiale extrem de precis – chiar și în materie vie .

De exemplu, laserele pot fi utilizate pentru a crea o stocare mai eficientă a datelor, deoarece stocarea nu este construită doar pe suprafața materialului, ci și în găuri mici, perforate, adânc în mediul de stocare. Tehnologia este utilizată și pentru fabricarea stenturilor chirurgicale, a cilindrilor micrometrizați din metal care lărgesc și întăresc vasele de sânge, tractul urinar și alte căi de trecere din interiorul corpului.

O privire spre viitor

Se asteapta dezvoltarea multor aplicații pentru aceste noi tehnici laser: electronice mai rapide, celule solare mai eficiente, catalizatori mai buni, acceleratoare mai puternice, surse noi de energie sau produse farmaceutice.

Gérard Mourou, care s-a întors în Franța, este implicat într-o inițiativă paneuropeană în domeniul tehnologiei laser, printre alte proiecte. El a inițiat și a condus dezvoltarea timpurie a Infrastructurii Luminii Extreme (ELI). Trei programe – în Republica Cehă, Ungaria și România – vor fi finalizate în câțiva ani. Puterea maximă planificată este de 10 petawați, echivalentă cu un bliț incredibil de scurt de la o sută de mii de miliarde de becuri. Se vor specializa în domenii diferite – cercetarea attosecondelor în Ungaria, fizica nucleară în România și raze de particule cu energie înaltă în Republica Cehă. Se planifică facilități noi, chiar si mai puternice în China, Japonia, SUA și Rusia.

Există deja speculații despre următorul pas: o creștere de zece ori a puterii, la 100 de petawați. Viziunile pentru viitorul tehnologiei laser nu se opresc aici. De ce nu puterea unui zettawatt (un milion de petawați, 1021 wați), sau impulsuri până la zeptoseconde? Orizonturi noi se deschid, de la studiile de fizica cuantica in vid, pana la producerea de raza protonice intense care pot fi folosite pentru a eradica celulele canceroase din organism.