2018 Nobel Fizik Ödülünün Yorumlanması: Sadece fiziğe değil, aynı zamanda kimya, biyoloji ve tıbba da daha uç optiğe giden yol
Konferans önerisi
Kaynak: Sina Technology
Bu yılki Nobel Fizik Ödülü, lazer fiziğinde devrim yaratan buluşlara verildi. Yeni bir ışık türü altında son derece küçük nesneler ve son derece hızlı süreçler bulabiliriz. Sadece fizik değil, kimya, biyoloji ve tıp, hem temel araştırma hem de pratik uygulamalarda gelişmiş hassas cihazlardan faydalanır.
Arthur Ashkin, lazer ışını "parmak" ile parçacıkları, atomları ve molekülleri yakalayabilen optik cımbızı icat etti. Optik cımbız, gözlem ve manipülasyon sırasında zarar vermeden virüsleri, bakterileri ve diğer canlı hücreleri manipüle etmek için de kullanılabilir. Ashkin'in optik cımbızları, yaşamın mekanik süreçlerini gözlemlemek ve kontrol etmek için yeni bir fırsat yaratır.
Gérard Mourou ve Donna Strickland, insanlığın şimdiye kadarki en kısa dalga boyunu ve en yüksek enerjili lazeri geliştirmesinin yolunu açtı. Öncülük ettikleri teknoloji, bu alanda yeni bir bilimsel araştırma çağını başlattı ve endüstri ve tıpta yaygın olarak kullanıldı. Örneğin en keskin lazer ışınları ile her yıl milyonlarca göz ameliyatı yapılmaktadır.
Ashkin, daha sonra optik cımbız olarak adlandırılan bir optik tuzak geliştirdi
1. Lazerle ışınlandıktan sonra minik şeffaf top hareket etmeye başlar. Hızları, Aşkın'ın teorik tahminleriyle tutarlıdır ve radyasyon basıncının gerçekten onları yönlendirdiğini gösterir.
2. Beklenmeyen bir etki, radyasyon basıncının bir eğime sahip olmasıdır, bu da kürenin en yüksek ışık yoğunluğunun olduğu ışının merkezine hareket etmesine neden olur. Bunun nedeni, ışık yoğunluğunun kademeli olarak dışa doğru azalması ve topu iten tüm kuvvetlerin toplamının onu ışının merkezine doğru itmesidir.
3. Ashkin, topun yüzmesini sağlamak için lazer ışınının yönünü yukarı doğru hareket ettirir. Şu anda, radyasyon basıncı yerçekimini iptal ediyor.
4. Lazer ışını mercek üzerinden odaklanır. Şu anda ışık, parçacıkları yakalamak ve hatta canlı bakteri ve hücreleri manipüle ederek optik bir cımbız haline getirmek için kullanılabilir.
Optik cımbız, hücre iskeleti boyunca hareket eden kinesin sürecini haritalandırır.1 Kinesin molekülü, optik cımbız tarafından çalıştırılan küçük bir topa bağlanır. 2 Kinesin hücre iskeleti boyunca hareket eder. Topu çeker, böylece "yürüme" hareketi topla ölçülebilir. 3 Son olarak, kinesin optik tuzağın kuvvetine dayanamaz ve küre, ışının merkezine geri döner.
Işının içinde hareket et
Arthur Ashkin'in bir hayali vardı: Işını işte bir araç olarak kullanmak ve nesneleri hareket ettirmek için kullanmak. 1960'ların ortalarında piyasaya sürülen Amerikan serisi Star Trek'te, uzaydaki asteroitler de dahil olmak üzere nesneleri onlara dokunmadan çekebilen bir ışık huzmesi var. Tabii ki, kulağa saf bir bilim kurgu konsepti gibi geliyor. Güneşin enerji taşıdığını hissedebiliriz ve güneş bize ısıyı hissettirir, ancak güneş ışınından gelen basınç çok küçüktür, herhangi bir sıkışma hissimiz yoktur. Ancak bu basınç, son derece küçük parçacıkları ve atomları itmek için yeterli mi?
1960 yılında ilk lazer icat edildikten sonra, Ashkin yeni cihazı derhal New York dışındaki Bell Laboratuvarlarında test etmeye başladı. Lazerde ışık dalgaları, sıradan beyaz ışık gibi çeşitli renklerle karıştırılmak ve her yöne yayılmak yerine sürekli hareket eder.
Ashkin, bir lazerin mükemmel bir araç olabileceğini anladı ve küçük parçacıkları hareket ettirmek için bir ışık demeti kullanmak mümkündü. Mikron büyüklüğündeki şeffaf topları lazerle ışınladı ve topları hızla hareket ettirdi. Aynı zamanda, Aşkın bu küçük topların en yoğun ışının ortasına çekildiğini görünce şaşırdı. Bunun açıklaması, lazer ne kadar keskin olursa olsun yoğunluğunun ortadan yanlara doğru azalacağıdır. Bu nedenle, lazerin parçacıklara uyguladığı radyasyon basıncı da farklıdır ve bu da onları ışının merkezine doğru hareket etmeye ve stabilize olmaya zorlar.
Parçacıkları ışın yönünde tutmak için Ashkin, lazeri odaklamak için güçlü bir lens ekledi. Bu parçacıklar, bu nedenle ışık yoğunluğunun en yüksek olduğu konuma çekilir. Bir optik tuzak doğdu; daha sonra bu cihaza optik cımbız adı verildi.
Işıkla yakalanan canlı bakteri
Yıllarca süren sıkı çalışmalardan ve birçok aksilikten sonra, bilim adamları nihayet bu optik tuzağı tek bir atomu yakalamak için kullanabilirler. Bu süreçte pek çok zorluk var: Biri, optik cımbızların atomu kapmak için daha güçlü bir güce ihtiyaç duyması, diğeri ise atomun termal titreşimi. Atomların hareketini yavaşlatmanın ve bu cümlenin son döneminden çok daha küçük bir alana yerleştirmenin bir yolunu bulmak gerekiyor. Tüm problemler 1986'da çözüldü. Optik cımbızlar diğer yöntemlerle birleştirilerek başarıyla durduruldu ve atomları yakaladı.
Arthur Ashkin, atomların hızını yavaşlatmanın kendisi yeni bir araştırma alanı haline gelirken, optik cımbızlarla biyolojik sistemleri inceleyen yeni bir kullanım keşfetti. Bir fırsatın ortaya çıkması onu bu alana getirdi. Ashkin, daha küçük parçacıkları yakalamak için küçük mozaik virüsünün bir örneğini kullandı. Numuneyi sadece bir gece maruz bıraktıktan sonra, etrafta hareket eden büyük parçacıklarla doluydu. Mikroskop altında Ashkin, bu parçacıkların aslında etrafta yüzen bakteriler olduğunu ve lazer ışınına yaklaştıklarında optik tuzaklara hapsolacaklarını buldu. Ancak Aşkın'ın yeşil lazer ışını bakterileri öldürür, bu yüzden onları canlı tutmak için daha hafif bir ışın gerekir. Görünmez kızılötesi ışık altında bakteri hasar görmez ve optik tuzakta çoğalabilir.
Sonuç olarak, Aşkın'ın sonraki araştırmaları birçok farklı bakteri, virüs ve canlı hücreye odaklanıyor. Hatta hücre zarını yok etmeden hücreye girme olasılığını da gösterdi. Ashkin, optik cımbızların yeni kullanımları için bütün bir dünyanın kapılarını açtı. Hücreler içinde kritik görevleri yerine getiren moleküler motorların-makromoleküllerin mekanik özelliklerinin incelenmesi önemli bir buluş. Ayrıntılı haritalama için optik cımbız kullanan moleküler motor, hücre iskeletinin bir parçası olan mikrotübüllerin yörüngeleri üzerinde "yürüyen" bir kinesindir.
Bilim kurgudan pratik uygulamalara
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, pek çok araştırmacı Ashkin'in icadını genişletti. Şu anda, optik cımbızlar sayısız pratik uygulamanın geliştirilmesini teşvik ederek araştırma nesnesini dokunmadan gözlemlemek, çevirmek, kesmek, itmek ve çekmek için optik cımbızların kullanılmasını mümkün kılmıştır. Birçok laboratuvarda, lazer cımbızlar, bireysel proteinler, moleküler motorlar, DNA ve iç hücre aktiviteleri gibi biyolojik süreçleri incelemek için standart ekipman haline gelmiştir. Optik holografi son gelişmelerden biridir.Bu teknoloji sayesinde binlerce optik cımbız aynı anda çalışabilir.Kullanımı sağlıklı hücreleri enfekte hücrelerden ayırmayı içerir.Bu, sıtma ve diğer hastalıklarla mücadelede geniş uygulama potansiyeline sahiptir. .
Ultra kısa yüksek yoğunluklu kirişler için yeni teknoloji
Teknoloji, radarı ve radyo dalgalarını (uzun dalga) anlatan akademik bir makaleden ilham aldı. Bununla birlikte, bu kavramı hem teoride hem de pratikte daha kısa dalga boylarına sahip ışık dalgalarına dönüştürmek çok zordur. Aralık 1985'te çığır açan bir makale yayınlandı ve bu Donna Strikelandın ilk akademik makalesiydi. Kanada'dan Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Rochester Üniversitesi'ne taşındı ve burada lazer fiziğiyle ilgilenmeye başladı çünkü yeşil ve kırmızı ışık ışınları laboratuvarı en azından akıl hocası Jeha Moreau'nun gözünde bir Noel ağacına dönüştürdü. nın-nin. Şimdi, bilim adamları, kağıtta bahsedilen ve kısa lazer darbelerinin yoğunluğunu benzeri görülmemiş bir düzeye çıkaran bir tekniği uyguladılar.
Lazer ışığının üretimi, sürekli olarak daha fazla foton oluşturan fotonların zincirleme reaksiyonu yoluyla gerçekleşir. Bu fotonlar darbelerle serbest bırakılabilir. Lazerin icadından yaklaşık 60 yıl sonra, araştırmacılar daha yüksek yoğunluklu darbeler oluşturmaya çalışıyorlardı. Ancak 1980'lerin ortalarında insanlar yolun sonuna gelmiş gibiydi. Kısa darbeler için, yükseltici materyali bozmadan lazerin yoğunluğunu artırmak imkansız görünmektedir.
CPA teknolojisi, lazer teknolojisinde yenilikçidir.Çok güçlü ve kısa atımların serbest bırakılmasını mümkün kılmak için çok karmaşık bir yöntem kullanır, böylece güçlendirilmiş malzemeye zarar verme riskini ortadan kaldırır. Işık darbesini doğrudan yükseltmez, önce tepe gücünü azaltmak için zamanında gerer. Daha sonra darbe güçlendirilir ve sıkıştırıldığında aynı yerde daha fazla ışık toplanır - ışık atımı çok yoğun hale gelir.
Strickland ve Morrow'un yeni teknolojisi, hem basit hem de sofistike olan "cıvıltılı darbe amplifikasyonu" (CPA) olarak adlandırılıyor. Kısa bir lazer darbesinin süresini uzattılar, güçlendirdiler ve sıkıştırdılar. Lazer darbesinin süresi uzatıldığında, tepe gücü büyük ölçüde azalır, böylece amplifikatöre zarar vermeden önemli ölçüde yükseltilebilir. Daha sonra, lazer darbesinin zaman sıkıştırması, küçük bir alanda daha fazla ışığın yoğunlaşması anlamına gelir ve bu da darbe yoğunluğunu büyük ölçüde artırır.
Bütün bunları başarılı bir şekilde birleştirmek Strickland ve Morrow'un birkaç yılını aldı. Her zaman olduğu gibi, zengin uygulama ve kavramsal detaylar birçok zorluğu beraberinde getirdi. Örneğin, lazer darbesinin uzatılması, yeni geliştirilmiş 2,5 kilometrelik bir optik fiber gerektirir. Bununla birlikte, ışık çıkmadı - fiber bir yerde kırıldı. Çok çaba sarf ettikten sonra 1,4 kilometrenin yeterli olduğunu gördüler. En büyük zorluk, kirişin uzaması ve sıkıştırmasının karşılık gelmesi için ekipmanın çeşitli aşamalarını senkronize etmektir. Bu sorun, Strickland ve Morrow'un ustaca tasarımlarının pratikte de işe yarayabileceğini ilk kez kanıtladığı 1985'te de çözüldü.
Strickland ve Moreau tarafından icat edilen CPA teknolojisi lazer fiziğinde devrim yarattı, daha sonraki tüm yüksek yoğunluklu lazerler için standart haline geldi ve fizik, kimya ve tıp alanındaki uygulamalar için tamamen yeni alanlar açtı. Artık bilim insanları laboratuvarda en kısa ve en güçlü lazer darbelerini üretebiliyor.
Femtosaniye lazerlerden (sağda gösterilen) kısa darbeler, nanosaniye lazerlerden (solda gösterilmiştir) salınan uzun darbelerden milyonlarca kat daha uzundur ve malzemelere daha az zarar verir. Ultra kısa ve ultra yoğunluklu lazer darbeleri kullanılabilir. İnsan kan damarlarının üretimi için göz ameliyatı, veri saklama ve tıbbi stentler.
Dünyanın en hızlı kamerası
Ultra kısa yüksek yoğunluklu darbelerin belirli kullanımları nelerdir? Bu teknik, moleküllerin ve atomların fotoğrafını çekerken arka planı hızlı bir şekilde aydınlatmak için ilk günlerde mikroskobik fotoğrafçılıkta kullanıldı. Bu süreçler son derece hızlıdır, bu nedenle uzun bir süre için bilim adamları sadece reaksiyondan önceki ve sonraki durumu tanımlayabilirler, ancak reaksiyon sürecini tanımlayamazlar. Ancak femtosaniye lazer darbeleriyle (yani saniyenin binde biri) bu kısa süreli süreçleri gözlemleyebiliriz.
Lazerin yoğunluğu, bir elektronik yalıtkanı bir iletkene dönüştürmek gibi nesnenin özelliklerini değiştirmeye yetecek kadar yüksektir. Ultra hassas lazer ışınları, özellikle canlı organizmalar olmak üzere her tür malzeme üzerinde son derece yüksek hassasiyetle delikler açabilir veya delebilir.
Örneğin, lazerler daha verimli veri depolaması oluşturmak için kullanılabilir, çünkü depolama alanı yalnızca malzemenin yüzeyiyle sınırlı değildir, aynı zamanda depolama ortamının derinliklerine inebilir ve mikro gözenekler şeklinde var olabilir. Teknoloji ayrıca vücuttaki cerrahi stentler (kan damarlarını genişletip güçlendirebilen mikron metal silindirler), idrar tüpleri ve diğer "kanallar" yapmak için de kullanılabilir.
Bu teknolojinin sayısız uygulama alanı vardır, ancak henüz tam olarak araştırılmamıştır. Her ilerleme, araştırmacıların yeni bir dünyanın kapısını açmasına yardımcı olabilir ve temel araştırma ve pratik uygulamalar sürekli değişmektedir.
"Attosecond" fiziği son yıllarda yeni doğan araştırma alanlarından biridir. 100 attosaniyeden daha kısa (1 attosaniye = 10 ^ -18 saniye) lazer darbeleri, sihirli elektronik dünyayı görmemizi sağlayabilir. Elektronlar, kimyasal tepkimelerde "eski scalpers" ile eşdeğerdir.Tüm maddelerdeki optik ve elektronik özellikler ve kimyasal bağlar elektronlarla ilgilidir. Artık attosaniye lazer teknolojisi ile bilim adamları sadece elektronları gözlemlemekle kalmıyor, aynı zamanda onları manipüle edebiliyorlar.
Işık darbesi ne kadar hızlı olursa, gözlemlenebilen hareket o kadar hızlıdır. Neredeyse inanılmaz kısa lazer atımları birkaç femtosaniyeye yakın, hatta attosaniyeden binlerce kat daha hızlı. Bu tür olaylar sadece tahmin edilebilir ve fotoğraflanma süreci; elektronların çekirdek etrafındaki hareketi artık bir attosaniye kamera ile gözlemlenebilir.
Daha ekstrem optiklere giden yol
Bu yepyeni lazer teknolojileri için birçok uygulama, gözle görülür derecede daha hızlı elektronik cihazlarda, daha verimli güneş pillerinde, daha iyi katalizörlerde, daha güçlü hızlandırıcılarda, yeni enerji kaynaklarında veya ilaçlarda bulunuyor. Dolayısıyla lazer fiziği alanında şiddetli bir rekabet olması şaşırtıcı değil.
Donna Strickland şu anda Kanada'da kendi araştırmasını yürütmeye devam ederken, Jha Moreau Fransa'ya döndü ve tüm Avrupa'yı kapsayan bir lazer teknolojisi geliştirme programına katılıyor. Avrupa "Aşırı Optik Altyapı" (ELI) projesini başlattı ve yönetti. Plana dahil olan üç tesisin Çek Cumhuriyeti, Macaristan ve Romanya'da yer alması birkaç yıl içinde tamamlanması bekleniyor. Bu planla üretilen lazerin tepe yoğunluğu 10 petawatt'a ulaşacak, bu da aynı anda yanan 10 milyar ampulün enerji seviyesine eşdeğer.
Yüksek yoğunluklu lazer darbelerinin gelişimi. CPA teknolojisi, yüksek yoğunluklu darbe teknolojisinin patlayıcı gelişiminin temelidir.
Üç tesis farklı araştırma alanlarına odaklanacak.Macaristan tesisi attosaniye araştırmalarına odaklanacak, Romanya tesisi nükleer fizik araştırmalarına odaklanacak ve Çek Cumhuriyeti'ndeki tesis yüksek enerjili parçacık demeti araştırmalarına odaklanacak. Ve dünyada, Çin, Japonya, Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya'daki ilgili araştırma kurumları da dahil olmak üzere daha fazla, daha güçlü cihazlar da geliştiriliyor.
Bazı bilim adamları, bir sonraki geliştirme adımını hayal etmeye başladılar: 100 petawatt seviyesine ulaşmak için yoğunluğu 10 kat artırmak. Gelecekteki lazer teknolojisinin görünümü burada bitmeyecek. Enerjisi Zewa'ya ulaşan (1 milyon petawatt, 10 ila 21 watt arası) ve attosaniyenin binde birinden kısa (yaklaşık 10 ila eksi 21 gücü) lazer ışınlarının geliştirilememesi mümkün olabilir mi?
Yeni ufuklar, vakum kuantum etkileri üzerine yapılan araştırmalardan kanser tedavisi için radyoterapiye kadar uzaklarda beliriyor. Ancak şimdi bile, bu teknolojilerin birleşimi mikro dünyanın her yerini keşfetmemize ve her zaman Nobel'in kurucusu Bay Nobel'in mirasını hatırlamamıza izin verdi: tüm insanlığın refahı için.
Orijinal kaydı okumak için tıklayın
