Что такое лазерный пинцет? Объясняем открытие лауреатов Нобелевской премии в 100 и 500 словах

Нобелевскую премию по физике получили американец Артур Эшкин, француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикленд - за свои открытия, которые, как было заявлено на церемонии, произвели революцию в лазерной физике.

96-летний Эшкин был удостоен премии за разработанную им технологию оптического пинцета, которую члены Нобелевского комитета назвали давней мечтой писателей-фантастов.

Жерар Муру и Донна Стрикленд, ставшая третьей женщиной-лауреатом в истории этой высшей награды научного мира, открыли способ получения коротких лазерных импульсов высокой интенсивности, которые, в частности, сделали возможными лазерные операции по корректировке зрения.

Русская служба Би-би-си коротко (в 100 словах) и чуть подробнее (в 500 словах) объясняет, в чем суть этих революционных открытий.

---

---

"Мечта писателей-фантастов"

Описание метода лазерного пинцета и правда больше похоже на рассказ о технологиях будущего из научно-фантастического романа.

Он позволяет использовать лазерные лучи, то есть потоки поляризованного и узконаправленного света, в качестве микроскопических щипцов, которые могут захватывать физические объекты размером всего несколько микрон и манипулировать ими.

Неудивительно, что эта технология нашла самое широкое применение в изучении структуры и принципа работы белков, молекулы которых столь малы, что их нельзя разглядеть даже в лучший оптический микроскоп.

Оптическим пинцетом можно также захватывать живые клетки, вирусы и даже отдельные атомы.

Вторая технология, используемая в лазерной хирургии, была предложена Стрикленд и Муру еще в 1985 году и получила название "усиление чирпированных импульсов" (CPA). Она позволяет значительно увеличивать мощность лазерного луча.

---

---

Мечта и реальность

Артур Эшкин еще студентом мечтал о создании световой ловушки, которая удерживала бы физические объекты при помощи давления потока излучения.

После долгих экспериментов в 1987 году ему, наконец, удалось создать оптический пинцет, который позволяет захватывать и рассматривать микроскопические частицы, атомы, вирусы, бактерии и другие живые клетки, не повреждая их.

Лазерные усики пинцета могут поворачивать объекты, сжимать их или растягивать, а при необходимости - разрезать на части. Для биофизиков этот инструмент просто открыл новые горизонты, поскольку он дал возможность изучать белки, молекулярные двигатели, ДНК и внутреннюю жизнь клетки в целом.

За свои работы Эшкин был удостоен целого ряда престижных научных премий, в том числе и высшей американской награды - премии Национальной академии наук. Однако до 96 дет он так и не стал нобелевским лауреатом, хотя еще в 1997 году премия была присуждена за разработку методов охлаждения и удерживания атомов при помощи света лазера.

В числе трех лауреатов премии тогда оказался его коллега Стивен Чу, а сам Эшкин позже признавался, что чувствовал себя незаслуженно обойденным вниманием Нобелевского комитета, поскольку, по его словам, ему пришлось учить Чу, как делать световые ловушки.

Теперь американский профессор наконец получил долгожданную награду - однако оказался настолько занят написанием очередной научной статьи, что даже не смог пообщаться с журналистами после объявления лауреатов.

"Заточка лазера"

Эшкину достанется половина премии. Вторую половину разделят между собой Донна Стрикленд и Жерар Муру, благодаря которым стали возможными лазерные операции по корректировке зрения.

Однако это лишь одно из применений изобретенной ими технологии CPA, которая позволяет с невероятной точностью делать разрезы или сверлить отверстия в самых разных материалах, включая и живые ткани.

Для этого лазерный луч сначала растягивают, затем усиливают, после чего вновь сжимают. Получившийся в результате мощный ультракороткий световой импульс измеряется фемтосекундами - то есть квадриллионными долями секунды. Для сравнения, даже свет за это время проходит расстояние меньше микрометра, что сравнимо с диаметром вируса.

До этого открытия мощность лазеров была довольно ограничена: луч высокой интенсивности просто разрушал материал, используемый для усиления его энергии.

Твит Нобелевского комитета сравнивает наносекундный лазер с фемтосекундным. Черным цветом отмечена зона нагрева, а белыми дугами показана сила волны, вызванной ударом пучка света.

Теперь именно так получают импульсы наибольшей мощности в физических лабораториях по всему миру. Спектр их применения очень широк: например, такие лучи используют для лазерной терапии рака.

Автор этой технологии Донна Стрикленд стала первой женщиной-лауреатом Нобеля за 55 лет и третьей за всю 118-летнюю историю награды. В 1903 году половину премии разделила с мужем Мария Кюри; в 1963 году Мария Гёпперт-Майер получила четверть награды.

Первую научную статью, которая легла в основу открытия, канадка Стрикленд написала еще в 1985 году, работая в докторантуре Рочестерского университета в США. Профессор Жерар Муру, разделивший с ней Нобелевскую премию, был ее научным руководителем.