Nobelova nagrada za fiziko 2018

Švedska kraljeva akademija znanosti je razglasila letošnje prejemnike Nobelove nagrade za fiziko. Za prelomna odkritja na področje fizike laserjev nagrado prejmejo ameriški fizik Arthur Ashkin (polovico) ter francoski fizik Gérard Mourou in kanadska fizičarka Donna Strickland (vsak četrtino). Ashkin je s 96 leti najstarejši prejemnik nagrade, Donna Strickland pa je šele tretja ženska v zgodovini, ki je dobila Nobelovo nagrado za fiziko (za Marie Curie in Mario Goeppert-Mayer).

Ashkin je doktoriral iz jedrske fizike na Univerzi Cornell. Potem je celo življenje delal v Bell Labs, kjer je odkril številne pomembne pojave. Odkril je na primer fotorefraktivni efekt in piezoelektrične kristale. Letošnjo nagrado je prejel za izum optične pincete, ki omogoča manipulacijo majhnih objektov. Leta 1987 je Ashkin pokazal, kako lahko z optično pinceto premika žive bakterije, ne da bi jih poškodoval. Mourou je delal na Univerzi Rochester, kjer je bil mentor Donne Strickland pri njenem doktoratu. Za skupno delo sta prejela letošnjo Nobelovo nagrado. Odkrila sta, kako lahko ustvarimo kratke in intenzivne laserske pulze. Nova tehnika se imenuje CPA (chirped pulse amplification) in omogoča pripravo tako močnih in kratkih laserskih pulzov, da so primerni na primer za operacije oči.

Ashkin je kmalu po izumu laserja, ki so ga izumili leta 1960, v Bell Labs začel raziskovati, ali bi lahko snop laserske svetlobe fizično premaknil majhne predmete. Ugotovil je, da se mikrometrske kroglice dejansko premaknejo, če nanje posveti z laserjem. V resnici jih laserski curek pritegne, tako da se zberejo na sredini curka, kjer je ta najmočnejši (ker je tlak neenak prečno na curek). Potreboval je le še ustrezne leče, ki so snop laserske svetlobe ustrezno usmerile v eno samo točko, pa je dobil lasersko pinceto. Z njo lahko premikamo bakterije (z infrardečim laserjem, zelen jih požge) ali posamezne atome. Tako lahko optično pinceto uporabljamo za študij mikroskopskih struktur v živih celicah, denimo za celične motorje. Danes je optična pinceta rutinski instrument.

Donna Strickland je decembra 1985 objavila prvi znanstveni članek, ki ji je 33 let pozneje prinesel Nobelovo nagrado. V njem sta z menotjrem Mouroujem pokazala, kako ustvariti zelo močne laserske pulze. Vse od izuma laserjev pred 60 leti so njihove moči povečevali, potem pa se je v 80. letih zdelo, da so dosegli mejo. Nadaljnje ojačitve bi uničile material, ki ustvarja lasersko svetlobo. S tehniko CPA se obšla to omejitev. Zamisel je preprosta in zelo elegantna. Vzela sta pulz laserske svetlobe, ga raztegnila v časovni domeni, ojačila in ponovno stisnila v časovni domeni. Uporabila sta 1,4 kilometra dolg optični kabel, kar je bilo dovolj, da sta ustvarila raztegnjen pulz. Ti kratki močni pulzi se uporabljajo v različne namene, na primer pri femtosekundni spektroskopiji, ki omogoča raziskave kemijskih reakcij, ki so se pred tem zdele hipne (prehodna stanja so izjemno kratkoživa). Femtosekundni laser bistveno manj vpliva na material kakor nanosekundni, zato omogoča vpogled brez povzročanja velike škode. V femtosekundnem režimu lahko opazujemo celo spremembe elektronske gostote in manipuliramo posamezne elektrone.