Prosím čekejte...
Nepřihlášený uživatel
Nacházíte se: VŠCHT Praha  → Popularizace, média → Mohlo by vás zajímat → Nobelova cena za fyziku pro rok 2018
iduzel: 44603
idvazba: 49105
šablona: stranka_ikona
čas: 17.11.2018 13:52:48
verze: 4545
uzivatel:
remoteAPIs:
branch: trunk
Obnovit | RAW

Nobelova cena za fyziku pro rok 2018

Nobelova cena za fyziku byla pro rok 2018 udělena za revoluční objevy v oblasti laserové fyziky. Jednu polovinu ceny obdržel Arthur Ashkin za objev optické pinzety a její využití především při studiu biologických systémů. Druhou polovinu ceny si rovným dílem rozdělili Gérard Mourou a Donna Stickland za vývoj metody pro generaci vysoce intenzivních a ultrakrátkých optických pulzů.

nobel-prize_physics-2018 (šířka 450px)

V souvislosti s udělením Nobelovy ceny stojí za zmínění, že se jedná již o historicky šestou Nobelovu cenu (z celkových 112) spojenou s konstrukcí nebo aplikací laserové technologie a Donna Sticklandová je teprve třetí ženou a první po 55 letech, která toto nejvyšší vědecké ocenění za fyziku obdržela. Poznatky, které vedly k rozvoji technologie pulzů o extrémních parametrech, navíc vyšly v její první odborné publikaci, kterou sepsala během doktorského studia vedeného G. Mourouem.     

Arthur Ashkin a jeho optická pinzeta

Světlo, přestože dle dosavadních poznatku není složeno z hmotných objektů, je spojeno s nenulovou hodnotou hybnosti. Může tedy silově působit na hmotné objekty. Tlak spojený s tímto působením je označován jako tlak záření. Existenci tlaku záření předpověděl jako první Johannes Kepler již v 17. století a vysvětloval s ním stáčení ocasu komet směrem od Slunce. Systematické a efektivní využití tlaku záření bylo limitováno absencí zdroje světelného záření nejenom o dostatečné intenzitě (tlak slunečního záření na povrchu Země je pouze 4·10-6 Pa), ale také s dobře definovanými ostatními parametry jako rozbíhavost, příčný profil atd. Tato omezení byla překlenuta v roku 1960, kdy T. R. Maiman sestavil první laser. Téměř okamžitě s tímto objevem A. Ashkin začal s výzkumem zaměřeným na bezkontaktní manipulaci mikroskopických objektů pomocí světla. Jak sám Ashkin několikrát zopakoval, jednou z inspirací jeho výzkumu byl i seriál Star Trek (původní 60. léta), kde světelné svazky využívali ke zvedání a přemísťování hmotných objektů.

Již v první fázi výzkumu v roce 1970 Ashkin prokázal, že dielektrickou průhlednou kuličku o mikrometrových rozměrech je možno urychlit ve směru laserového svazku. Zároveň také objevil, že tato kulička se během pohybu samovolně lokalizuje ve středu svazku. To je způsobeno působením gradientních sil v důsledku Gaussovského příčného profilu svazku, ve kterém intenzita ubývá od jeho středu ke krajům. K záchytu kuličky v určitém místě prostoru nazvaného jako optická pinzeta pak již stačilo jen vhodně zkřížit dva laserové svazky. První pokusy o sestavení jednosvazkové pinzety, které využívaly tíhové sily na kuličku, nevedly ke kýženým výsledkům. Významně lepší stabilitu vykazovala konstrukce pinzety využívající fokusaci svazku pomocí silné spojné čočky z roku 1986. Nacházel-li se totiž studovaný objekt ve svazku za fokusační čočkou, výsledná síla, složená z gradientních sil a sily záření, lokalizovala daný objekt v místě největší fokusace svazku.  

Ashkin creates his light trap (šířka 450px)A motor molecule walks inside the light trap (šířka 450px)

Po tomto úspěchu se Ashkin zaměřil na výzkum cíleného záchytu menších anorganických a biologických molekul nebo systémů. K pozitivním pokusům o záchyt jednotlivých atomů došlo až po odstranění mnoha překážek, které pramenily především z nízké síly záření působící na atom a jeho neustálého tepelného pohybu. Při práci s biologickými systémy byla cesta k úspěchu mnohem přímější. Důležitým zlomem byl přechod od zeleného laseru k infračervenému (IČ), který měl dostatečnou intenzitu k lokalizaci studovaného objektu a současně nevedl k jeho poškození. Ashkin ukázal, že IČ optická pinzeta má možnost záchytu nejen jednotlivých bakterií, buněk, ale i virů a dokonce umožňovala studovat buněčné organely bez poškození buňky. Na tuto průkopnickou práci brzy navázali další vědci, kteří pomocí optické pinzety prokázali mimo jiné princip fungování bakteriálních bičíků, či popsali transportní procesy uvnitř buněk. Zásadního uplatnění našla optická pinzeta také při studiu bio-fyzikálních procesů na jednotlivých buněčných a molekulárních systémech. Zde můžeme vyzdvihnout například studium vlastností molekulárních motorů, kde použití optické pinzety povoluje přesně určit velikost kroku motorů a dobu prodlevy mezi jednotlivými kroky.

V kostce lze tedy konstatovat, že úsilí A. Ashkina vedlo od nápadu stojícího na pokraji Sci-fi k vytvoření zařízení, které je schopno bezkontaktně pozorovat, otáčet, řezat a posunovat  jednotlivé objekty mikrosvěta. V mnoha laboratořích se optická pinzeta stala běžným vybavením sloužícím ke studiu biologických procesů na jednotlivých proteinech, molekulárních motorech, DNA nebo ke studiu vnitřních pochodů buněk.    

Gérard Mourou a Donna Strickland a jejich ultra silné a současně krátké laserové pulzy 

Od vzniku prvního laseru začátkem 60. let minulého století se vědci neustále snaží vylepšovat vlastnosti jeho výstupního záření. Jedním z nejdůležitějších parametrů laserových pulzů je jejich časová šířka a „síla“, která bývá charakterizována energií v jednom pulzu nebo špičkovým výkonem (energie v pulzu normovaná na časovou šířku pulzu). Veškeré úsilí vynaložené během 60.–80. let minulého století však nedokázalo významně zvýšit plošný špičkový výkon nad hodnotu 1015 W/cm2 a vytvořit pulzy o časové šířce nižší než jednotky fs. Objev G. Mouroua a D. Stricklandové z roku 1985 umožnil řádově vylepšit hranice hodnot těchto parametrů.

            Hlavním úskalím ve vytvoření časově krátkých pulzů s vysokou energií je především hranice poškození použitých optických prvků, ke kterému dochází právě při již zmíněné hodnotě plošného výkonu řádově 1015 W/cm2. Mourou a Stricklandová toto omezení obešli zdánlivě jednoduchým postupem, který byl nazván „zesilování roztaženého pulzu“ (angl. Chirped Pulse Amplification – CPA). Proces funguje ve třech fázích. Krátký pulz je nejprve roztažen v čase. V původní práci obou vědců toho bylo dosaženo průchodem krátkého pulzu optickým vláknem o délce 1,4 km. Z principu neurčitosti vyplývá, že krátký pulz, tj. pulz s malou neurčitostí v čase, nemůže být monochromatický, ale musí mít významnou spektrální šířku, tj. neurčitost v energii. Jelikož v každé látce je rychlost šíření fotonů závislá na jejich vlnové délce, jde o jev tzv. disperze, musí být vystupující pulz podle nich roztažen v čase. Svůj vliv na roztažení pulzu měl i nelineární optický jev automodulace fáze, který způsobuje změnu indexu lomu látky v závislosti na intenzitě procházejícího světla. Takto roztažený pulz si sice zachoval celkovou energii, ale jeho špičkový výkon byl mnohem nižší a tudíž mohl být bezpečně zesílen. Poslední fází procesu bylo opětovné stlačení pulzu, které bylo provedeno pomocí dvou optických mřížek. Takto připravený výstupní pulz dosahoval stejnou časovou délku jako na začátku, ale řádově 106krát vyšší špičkový výkon (v energiích přechod od nJ k mJ na pulz). V současné době se roztažení pulzu neprovádí průchodem látky disperzním prostředím, ale konstrukčně jednodušším uspořádáním o mnohem menších rozměrech v řádu centimetrů a to pomocí soustavy dvou mřížek, viz obrázek. 

Zesilování krátkých laserových pulzů (šířka 450px)

Zesilování pulzu bývá realizováno nejčastěji pomocí tzv. optického parametrického zesílení. Svou jednoduchostí a efektivitou se metoda CPA stala téměř přes noc standardem pro zesilování krátkých laserových pulzů. Nově vzniklá třída T3 laserů (stolní laser se špičkový výkon min. TW) založená na CPA byla dostupná univerzitním skupinám, což vedlo k rozvoji mnoha vědeckých aplikací. Své uplatnění však tyto lasery našly i v průmyslu a medicíně.

Laserové systémy využívající CPA vedly ke vzniku nových vědeckých odvětví: fyzika vysokých hustot energií (angl. High-energy-density physics) a fyzika silných polí, která využívá laserové pulzy s intenzitou elektrického pole o velikosti srovnatelné s intenzitou pole vázajícího elektrony v atomech. Možnost generovat ultrakrátké laserové pulzy (<1 ps) o dostatečné intenzitě umožnila také studium procesů v látce, které se dříve zdály jako okamžité. S využitím jevu generace vysokých harmonických frekvencí (angl. High Harmonic Generation – HHG) je pomocí výše zmíněných pulzů také možno vytvořit pulzy o časové šířce pod 1 fs. Díky těmto tzv. attosekundovým pulzům (aktuálně přibližně 10 as) je možné poprvé v historii sledovat dynamiku elektronů uvnitř atomů a molekul, např. „perioda oběhu“ elektronu kolem jádra vodíku je přibližně 150 as. Intenzivní ultrakrátké pulzy je také možno použít k urychlení částic např. v protonové terapii nebo také v průmyslových a medicínských oblastech, kde jsou vyžadovány velmi přesné zásahy nebo modifikace malých objektů. Tyto pulzy totiž ve srovnání se stejně silnými ns pulzy mají výrazně nižší disipaci tepelné energie do okolního prostředí, čímž se snižuje jeho zahřátí a poškození. S úspěchem jsou CPA lasery využívány například při operacích očí.

Svou stopu v aplikaci zmíněné technologie má i Česká republika. G. Mourou je totiž duchovním otcem projektu ELI (Extreme Light Infrastructure), jehož je součástí i ČR. V budovaném zařízení má dojít mimo jiné ke konstrukci laseru o špičkovém výkonu 10 PW.

Text: RNDr. Galář, Ph.D, doc. Scholtz, Ph.D a kolektiv autorů z Ústavu fyziky a měřicí techniky. Obrázky: nobelprize.org a skripta k předmětu Fyzika III

Aktualizováno: 31.10.2018 09:07, Autor: Jan Kříž

VŠCHT Praha
Technická 5
166 28 Praha 6 – Dejvice
IČO: 60461373
DIČ: CZ60461373

Datová schránka: sp4j9ch

Copyright VŠCHT Praha
Za informace odpovídá Oddělení komunikace, technický správce Výpočetní centrum

VŠCHT Praha
na sociálních sítích
zobrazit plnou verzi