Az optikai csipesz és a fázismodulált impulzuserősítés feltalálói kapták a fizikai Nobel-díjat

Az optikai, másnéven lézercsipeszeket (optical, vagy laser tweezers) és a fázismodulált impulzuserősítést (Chirped Pulse Amplification, CPA) ítélte érdemesnek a fizikai Nobel-díjra a Svéd Királyi Akadémia 2018-ban. Az elismerést az amerikai Arthur Ashkin, illetve a francia Gérard Mourou és a kanadai Donna Strickland nyerte el megosztva.

A tudomány fénykardja: a lézercsipesz

A ma már széleskörben, az atomfizikától az orvosbiológiáig alkalmazott optikai mikromanipulációkat lehetővé tevő metódus alapjait a most 96 éves Ashkin 1970-ben publikálta. A legendás Bell Laboratórium atomfizikusaként kijelölte a lézerkutatások egyik máig meghatározó irányát. Az általa kidolgozott rendszer voltaképpen egy olyan úgynevezett optikai csapda, amely a fénysugarak segítségével képes rögzíteni akár egyetlen darab atomi részecskét is.

Az optikai csipesz általános vázlati rajzaFotó: spie.org

A 2007-ben a Medicina kiadónál megjelent Biofizika vonatkozó fejezete szerint

„a jelenség önmagában igen egyszerű. Ashkin a fénynyomás hatásának vizsgálatára irányuló mikroszkópos vizsgálatai során megfigyelte, hogy a plasztikgömböcskék lézersugárzás hatására adott magasságba felemelkednek, és ott maradnak egészen a lézer kikapcsolásáig. A jelenség alkalmas arra, hogy töltetlen részecskéket mintegy optikai csapdába ejtve azokat helyzetükben rögzítse, illetve közvetlen környezetükből kiemelve más környezetbe átvigye. Mikroszkópban fókuszált lézersugár képes részecskéket a fókuszpontban csapdába ejteni és a sugárzás intenzitásától függően ott tartani. Az optikailag sűrűbb közegbe belépő és az optikailag ritkább közegbe kilépő fénysugár törése nyomán olyan erőkomponensek jönnek létre, amelyek az ott lévő részecskéket a fókuszpontba kényszerítik. A sugárzás kikapcsolásakor szabadon engedi a részecskét, amely ezután például leülepszik az alátámasztó üveglemezre. A jelenség mind levegőben, mind vizes közegben létrejön. Amennyiben a részecske fénytörése kisebb, mint a közegé, akkor nem megfogja, de eltaszítja a fénynyomás a részecskét, amit Ashkin eredetileg glicerinben nanométer átmérőjű levegőbuborékokon tapasztalt”.

Arthur Ashkin 2014-benFotó: Youtube

A magyar tankönyvszerzők már egy évtizeddel ezelőtt megismételték a Nobel-díjat odaítélő grémium tudományos fantasztikumra utaló kijelentését, amikor azt írták Ashkin csipeszéről és tovább fejlesztett változatairól: „A biológiai és biofizikai alkalmazásokra koncentrálva könnyű elképzelni, hogy milyen sejt- és molekuláris biológiai kísérleti lehetőségeket kínál. Sejteket (és molekulákat) emelhetünk fel, mozgathatunk vagy rögzíthetünk struktúrájuk megsértése nélkül.

Azelőtt a fantázia birodalmába tartozó kísérletek váltak elvégezhetővé, nanométeres elmozdulások és pikonewtonos (pN) erők mérhetővé. Két sejt kölcsönhatása olyan szinten vált mérhetővé és akár fényképezhetővé, amelyről korábban elképzelésünk sem lehetett”.

Rockenbauer Antal, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára emlékeztet rá, hogy Ashkin egyrészt a legidősebb a valaha díjazottak közül, másrészt neve már 1997-ben is felmerült, amikor Steven Chu kapta meg a díjat a mély hőmérsékletű (egy ezred Kelvin-fok alatti) lézerkutatásokért, amellyel nanométeres tartományban sikerült elemi objektumokat vizsgálni. A módszer kidolgozásában Ashkinnak is jelentős szerepe volt.

Élesebb a késnél

A 2018-as fizikai Nobel-díj másik felét a fázismodulált impulzuserősítést (Chirped Pulse Amplification, CPA) kidolgozó francia Gérard Mourou-nak és a kanadai Donna Stricklandnek ítélte a Svéd Királyi Akadémia grémiuma. A CPA az emberiség által eddigi legrövidebb és legintenzívebb lézerimpulzus létrehozását tette lehetővé.

„Ennek segítségével három nagyságrenddel nagyobb fényintenzitást lehet elérni, eljutva a petawatt tartományig. Technikájuk lényege, hogy a kezdeti rendkívül rövid impulzust speciális optikai eszközökkel időben széthúzzák, amely így nagymértékben elveszíti roncsoló hatását, lehetőséget adva az intenzitás továbberősítésére. Végső fázisban aztán az elkent lézerimpulzust újra fókuszálják. Ez az új eszköz nagymértékben megnöveli azt az energiatartományt, ahol lézersugarakat alkalmaznak elemi reakciók kiváltására”

– vázolta fel a CPA lényegét Rockenbauer professzor.

A CPA angol nyelvű vázlatrajzaFotó: Wikipédia

A harmadik női fizikai Nobel-díjas Strickland és Mourou még 1985-ben dolgozta ki a CPA alapjait – a kanadai fizikusnő akkor még a francia professzor doktorandusza volt. A most díjazott módszert ma leginkább a látásjavító lézeres szemműtéteteknél használják. A technológia előnye, hogy szinte hegmentes beavatkozással jár, mivel nem hőhatással operál.

Jövőre felkészülnek:

Az idei esélyesek között emlegették a félvezetők mágneses jelenségeit kutató David Awschalom és Arthur Gossard fizikusokat, akik kimutatták a kvantumos jelenségek nanoméretű effektusait. A Qubit szakírója szerint ennek jelentősége, hogy „a kvantumjelenségek szintjén fontos annak kimutatása, hogy a töltés és spin dinamika eltérhet egymástól a femptoszekundumos időskálán. A felfedezések várható fontosságát a lehetséges informatikai alkalmazások adják meg, bár a jelenlegi eredmények inkább még alapkutatási szinten vannak”.

Yuri Gogotski, Patrice Simon és  Rodney Ruoff szervetlen és szénalapú nanocsövekből  kifejlesztett szuperkondenzátorai szintén Nobel-díjat érhetnek a közeljövőben. Ők ugyanis egy úgynevezett hidrotermikus szintézises eljárást fejlesztettek ki karbid és nitrid alapú kétdimenziós nanocsövek létrehozására. Rockenbauer szerint e „nanocsővel kombinált (sapkázott) elektronmikroszkópia a sejtek szerkezetkutatásban is új távlatokat nyitott meg. A magam részéről
már az idén is őket tartottam a legesélyesebbnek a fizikai Nobel-díj elnyerésére”.