2018 Nobel Fizik Ödülü'nün resmi yorumu: Lazer fiziğini değiştirdiler
Bu makale, Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü Bilim İletişim Derneği'nin Nobel Ekibi tarafından çevrilen ve çevirmen tarafından eklenen başlık ile 2018 Nobel Fizik Ödülünün resmi yorumudur. Makaledeki içeriğin bir kısmı, Science Net ve GuoKe Net'in ilgili makalelerine atıfta bulunuyor ve şükranlarımı sunuyorum. Çevirmen, makalenin içeriğinin Çince mantığına daha uygun olmasını ve okuyucuların anlaması kolay olmasını sağlamak için makaledeki bazı paragrafların yazım sırasını ayarladı. Zaman kısıtlamaları nedeniyle, hatalar kaçınılmazdır, bu nedenle okuyucular eleştirmeye ve düzeltmeye teşvik edilir.
Bu yıl Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülen iki eserin lazer fiziğini tamamen değiştirdiği söylenebilir. Bilim insanlarının yepyeni teknik araçlarla son derece mikroskobik maddeyi ve ultra hızlı süreçleri gözlemlemelerine olanak tanır. Sadece fizik alanında değil, kimya, biyoloji ve tıpta da bu iki göreve dayalı çok sayıda hassas alet ve ekipman vardır: Bunlar ya temel bilimsel araştırmalarda kullanılırlar ya da yaşamda pratiklikleri vardır. Uygulamalar.
Arthur Ashkin, partikülleri, atomları ve molekülleri manipüle etmek için lazer ışınları kullanan optik cımbızları icat etti.Bu, insanların virüsleri, bakterileri ve diğer canlı hücreleri onları yok etmeden tespit edip manipüle etmesini sağlıyor. Aşkın'ın optik cımbızları, canlı bedenlerin iç yapısını gözlemlemek ve kontrol etmek için bize yeni bir fırsat yarattı.
Gérard Mourou ve Donna Strickland, insanlığın en kısa ve en güçlü lazer darbelerini yaratmasının yolunu açtı. Geliştirdikleri teknoloji, yeni araştırma alanları açtı ve endüstriyel ve tıbbi alanlarda geniş bir uygulama yelpazesi üretti. Örneğin en keskin "lazer neşter" ile her yıl milyonlarca göz ameliyatı yapılmaktadır.
Atomlar için bir tuzak oluşturmak için ışığı kullanın
1960'larda başlatılan Star Trek dizisinde çekici ışını, asteroitler de dahil olmak üzere herhangi bir nesneyi fiziksel temas olmadan alabiliyor. O zamanlar kulağa saf bilim kurgu gibi geliyordu. Bununla birlikte, Arthur Ashkin'in her zaman bir hayali olmuştur: Eğer bir gün, ışık huzmesi nesneleri çalıştırmak ve taşımak için gerçekten kullanılabilseydi, ne kadar iyi olurdu.
Aslında ışığın enerjisi olduğunu uzun zamandır biliyoruz, sonuçta kim sıcak güneşe maruz kalırsa bir süre çok sıcak hissedecektir. Ancak, bu tür bir hafif baskı çok küçüktür, bırakın bir şeyleri hareket ettirmeye alışkın, üzerimizdeki ışığı, en ufak bir itme bile hissedemiyoruz. Bununla birlikte, başka bir açıdan düşündüğünüzde, işler aynı olmayabilir: Böyle bir kuvvet insan vücudu için çok küçük olabilir, ancak çok küçük parçacıklar ve hatta atomlar ile değiştirilirse, ışık onları gerçekten hareket ettiremez mi?
Hepimiz biliyoruz ki, en yaygın güneş ışığı gibi sıradan beyaz ışık aslında birçok rengin karıştırılmasıyla üretilir ve ışık huzmesi her yöne saçılır. Lazer farklıdır, bir yandan iyi monokromatikliğe sahiptir, diğer yandan da yüksek tutarlılığa sahiptir, onu diğer doğal ışıktan ayıran iki temel özelliktir.
Bu nedenle Aşkın, lazerlerin küçük parçacıkları ışık huzmeleriyle hareket ettirmek için ideal bir araç olacağını fark etti. 1960 yılında, dünyanın ilk lazeri icat edildikten sonra, Aşkın bu yepyeni lazeri hemen New York City dışındaki Bell Laboratuvarlarında deneyler yapmak için kullandı.
Mikron büyüklüğünde saydam bir küreyi lazerle ışınladı, beklendiği gibi küre hemen hareket ettirildi ve en yüksek yoğunlukta ışının merkezine çekildi. Ashkin bu duruma şaşırdı. Bu fenomenin açıklaması, lazer ışını ne kadar keskin olursa olsun yoğunluğunun merkezden kenara doğru yavaş yavaş zayıflayacağı ve lazerin parçacıklara uyguladığı radyasyon basıncının da değişerek ışının ortasındaki parçacıkları sıkıştıracağıdır. .
Ayrıca Ashkin, lazeri odaklamak için bir lens ekledi. Şekil 1 (4) 'den, lensin eklenmesi nedeniyle, parçacıkların odak noktasında, yani ışık yoğunluğunun en yüksek olduğu noktada sıkıca kilitlendiğini görebiliriz. Böylece, daha sonra optik cımbız olarak adlandırılan bir optik tuzak doğdu.
Şekil 1 Ashkin tarafından oluşturulan optik tuzağa daha sonra optik cımbız adı verildi.
Mikron boyutlu şeffaf boncuklar nihai hedefimiz değil, umuyoruz ki bu tür optik tuzaklar tek tek atomları yakalayabilir. Mikron kürelerden tek tek atomlara kadar, aradaki zorluk ölçeği küçültmekten daha fazlasıdır. Birincisi, optik cımbızların atomları kavrayabilmek için daha güçlü bir kuvvete ihtiyacı vardır; ikincisi, atom ölçeğine indirgendiğinde, atomların termal hareketinin etkisi göz ardı edilemez. Bu nedenle atomların hareketini yavaşlatmanın ve onu çok küçük bir alanla sınırlamanın bir yolunu bulmalıyız.
1986 yılına kadar, deneysel koşulların, teknolojinin ve diğer teknik araçların olgunlaşmasıyla, optik cımbızların nihayet tek bir atomu yakalayabilmesi mümkün değildi.
Canlı bakterileri yakalamak için ışığı kullanın
Yavaşlayan atomun kendisi bağımsız bir araştırma alanı haline gelirken, Aşkın, biyolojik sistemleri inceleyen optik cımbızların yeni bir uygulamasını keşfetti. Aslında bu keşif bir tesadüf olarak kabul edilebilir.
Optik cımbızla daha küçük parçacıkları yakalamak için örnek olarak küçük mozaik virüsü seçti. Öyle oldu ki Ashkin numuneyi bir gece mühürlemedi, bu yüzden ertesi gün numunenin etrafta hareket eden büyük parçacıklarla dolu olduğunu gördü. Mikroskop gözlemi sayesinde, bu parçacıkların aslında bakteri olduğunu ve lazer ışınına yakın olduklarında serbestçe yüzemediklerini, ancak ışık tuzağında hapsolduklarını keşfetti.
Bununla birlikte, yeşil lazeri çok güçlü enerjiye sahip ve bakterileri öldürecek, bu nedenle bakterilerin hayatta kalmasını sağlamak için nispeten zayıf bir lazer gerekiyor. Kızılötesi lazer değiştirildiğinde, bakteriler ışık kapanında güvenli bir şekilde çoğalabilir.
Daha sonra, Aşkın'ın araştırması esas olarak diğer farklı bakteriler, virüsler ve canlı hücrelere odaklandı. Hatta optik cımbızlarımızın hücre zarına zarar vermeden hücrenin içine girebileceğini kanıtladı.
Ashkin, optik cımbızını yepyeni bir uygulama alanı açmak için kullandı. Bunların arasında, önemli bir buluş, bu yöntemin moleküler motorların mekanik özelliklerini incelemek için kullanılabilmesidir. Moleküler motor, hücrede önemli bir rol oynayan biyolojik bir makromoleküldür.Özellikle optik cımbızla tanımlanacak ilk motor protein, mikrotübüller (hücre iskeletinin bir parçası) boyunca adım adım ilerleyen kinesindir. mobil.
Şekil 2 Moleküler motor kinesin, optik cımbızın etkisi altında hücre iskeleti boyunca hareket eder.
Bilim kurgudan pratik uygulamaya
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, birçok araştırmacı Ashkin'den ilham aldı, yöntemini kullandı ve daha fazla iyileştirme ve optimizasyon yaptı.
Sayısız uygulamanın geliştirilmesi, optik cımbız teknolojisinin icadı ve tanıtımından ayrılamaz, araştırma nesnesine dokunmadan gözlemleme, çevirme, kesme, itme ve çekme vb. Bu nedenle, birçok laboratuvarda optik cımbız, tek protein molekülleri, moleküler motorlar, DNA veya hücrelerin diğer dahili aktiviteleri dahil olmak üzere biyolojik süreçleri incelemek için standart bir araç haline gelmiştir.
Optik cımbızların en son uygulamalarından biri optik holografidir. Bu teknoloji aynı anda çalışmak için binlerce optik cımbız kullanır, sağlıklı kan hücrelerini enfekte olmuş kan hücrelerinden ayırmak gibi çeşitli görevleri tamamlayabilir ve araştırmalarda yaygın olarak sıtma ile mücadele için kullanılabilir.
Optik cımbız teknolojisinin doğuşu ve gelişimi, bilim kurgu eserleri günlük hayatımızda gerçeğe dönüşmüş gibidir. Ashkin, optik cımbız teknolojisinin gelişmesi karşısında sürekli şok yaşıyor. Ve bu yıl Nobel Fizik Ödülü'nün ikinci çalışması - ultra kısa ve süper güçlü lazer darbeleri, araştırmacıların gözünde bir zamanlar gerçekçi olmayan bir "geleceğin teknolojisi" idi.
Ultra kısa ve ultra güçlü lazer üretmek için yeni teknoloji
Lazerler, daha fazla foton üretmek için birkaç foton kullanan ve darbelerle salınabilen bir zincirleme reaksiyonla üretilir. Lazer icat edildiğinden bu yana yaklaşık 60 yıl geçti ve araştırmacılar sürekli olarak daha yüksek yoğunluklu lazer darbeleri üretmeye çalışıyorlar. Ancak 1980'lerin ortalarında bu yol sona ermiş gibi görünüyordu, amplifikasyon ortamını bozmadan lazer darbesinin yoğunluğunu artırmaya devam etmek imkansızdı.
O sırada Donna Strikeland, kendisini lazer fiziği araştırmalarına adadığı Kanada'dan Rochester Üniversitesi'ne geldi. Bu araştırma yönünü seçmesinin nedeni sadece laboratuvarı bir Noel ağacı gibi aydınlatan kırmızı ve yeşil lazer ışınlarından değil, aynı zamanda akıl hocası Geha Moreaunun ileriye dönük akademik vizyonundan da etkileniyor. Hayati role.
Aralık 1985'te, Strickland ilk akademik makalesini yayınladı. Bu makalede, sonunda lazer darbelerinin amplifikasyonunda bir atılım yaptı. Teknolojisi, lazer darbelerini daha önce görülmemiş bir seviyeye yükseltebilir.
Bu teknoloji, popüler bir bilim makalesinden esinlenmiştir, ancak makaledeki açıklama görünür ışık değil, radar ve kullandığı uzun dalga boylu radyo dalgalarıdır. Bu fikri hem teoride hem de pratikte daha kısa dalga boylarına sahip görünür ışık dalgalarına aktarmak çok zordur. Bu nedenle, bu operasyonları başarılı bir şekilde uygulamak birkaç yıl sürdü ve kağıt resmi olarak yayımlanana kadar 1985'e kadar değildi.
Strickland ve Moreau tarafından icat edilen yeni tekniğin adı "Chirped Pulse Amplification" (CPA). Bu yöntemin basit ve zarif olduğu söylenebilir: bir lazer darbesi alın, zaman alanında genişletin, güçlendirin ve ardından tekrar sıkıştırın. Kısa nabız.
Daha genel olarak konuşursak, bir lazer ışını zaman alanında genişletildiğinde, tepe gücü çok düşük olur, böylece darbe, amplifikatörü bozmadan yükseltilebilir. Daha sonra, darbe zaman alanında sıkıştırılır, bu da daha fazla ışığın küçük bir alana sıkıştırılması anlamına gelir, bu da lazer darbesinin yoğunluğunu büyük ölçüde artırır.
Araştırma sürecinde her zaman olduğu gibi birçok teorik ve pratik zorluklarla karşılaşmışlardır. Örneğin, yeni elde edilen 2,5 km uzunluğunda bir optik fiber kullanılarak darbe uzatılır, ancak deney gerçekte yapıldığında ışığın diğer ucundan ışık gelmez, bu da fiber optik ortada kırıldığını gösterir. Çok sayıda sorundan sonra, artık güvelerin kalmamasını sağlamak için gerekli elyaf uzunluğunu 1,4 km'ye zorlukla sıkıştırmak zorunda kaldılar.
Deneyde karşılaşılan bir diğer büyük zorluk, deney ekipmanının farklı parçalarını senkronize etmekti, böylece lazer sedye ve kompresör birlikte çalışabilirdi.Zor olmasına rağmen, bu problem nihayet çözüldü. 1985'te, Strickland ve Morrow dünyaya başarılı bir şekilde zarif fikirlerinin pratikte uygulanabilir olduğunu söylediler.
Şekil 3 CPA teknolojisi, lazer teknolojisinde tamamen devrim yaratmıştır.Güçlendirme ortamına zarar vermeden bir dizi karmaşık yöntemle süper güçlü ve ultra kısa darbeli lazerler yayabilir. CPA teknolojisi, darbeli ışığı doğrudan yükseltmek yerine, tepe gücü azaltmak için önce zaman alanındaki darbeyi genişletir. Daha fazla lazer ışığı toplandığında ve aynı pozisyonda sıkıştırıldığında, lazer darbesi güçlendirilir.
Strickland ve Moreau tarafından icat edilen CPA teknolojisi, lazer fiziği alanında devrim yarattı. Tüm yüksek yoğunluklu lazerler için standart teknoloji haline geldi ve fizik, kimya, eczacılık ve diğer alanlardaki uygulaması, ilgili alanlarda yeni bir çığır açtı. Günümüzde insanlar laboratuvarda en kısa ve en güçlü lazer darbelerini oluşturabilirler.
Dünyanın en hızlı kamerası
Bu ultra kısa ve ultra güçlü lazer darbeleri nasıl uygulanır? Erken uygulama alanlarından biri, sürekli değişen mikroskobik dünyada moleküller ve atomlar arasındaki etkileşim olaylarının "hızlı fotoğrafı" dır. Bu olaylar o kadar hızlı gerçekleşir ki, uzun süre sadece olaydan önceki ve sonraki durumu görebiliriz. Bununla birlikte, bu darbeler femtosaniye mertebesine, yani saniyenin milyarda birine kadar kısaltılabilirse, daha önce anında gerçekleşmiş gibi görünen olayları görebiliriz.
Malzemelerin özelliklerini değiştirmek için yüksek yoğunluklu lazerler de kullanılabilir.Örneğin, izolatörler iletkenlere dönüştürülebilir Keskin lazer ışınları ayrıca çeşitli malzemeleri ve hatta canlı biyolojik malzemeleri çok hassas bir şekilde kesebilir veya delebilir.
Lazerler, daha verimli veri depolama oluşturmak için kullanılabilir, çünkü veriler yalnızca malzemenin yüzeyinde değil, aynı zamanda ortamın derinlerindeki küçük deliklerde de depolanabilir. Bu teknoloji aynı zamanda, kan damarları ve üretra gibi vücuttaki diğer kanalları genişletebilen ve güçlendirebilen, mikrometre ölçeğine sahip ince metal silindirler olan cerrahi stentler üretmek için de kullanılabilir.
Tam olarak keşfedilmemiş sayısız potansiyel uygulama alanı vardır.Teknolojik araçlardaki her ilerleme, bilim adamları için yeni bir dünyanın kapısını açtı ve temel araştırma ve uygulamalı araştırma üzerinde geniş ve kapsamlı bir etkiye sahip oldu.
Attosecond fiziği yeni ortaya çıkan araştırma alanlarından biridir. 100 attosaniye (1 attosaniye 10-18 saniyedir) içindeki lazer darbeleri, elektroniklerin harika dünyasını gösterebilir. Elektronlar kimyanın özüdür, sadece kimyasal bağların rolünü oynamazlar, aynı zamanda tüm maddelerin optik ve elektriksel özelliklerini de belirlerler. Günümüzde attosaniye fizik teknolojisini kullanarak sadece elektronları gözlemlemekle kalmıyor, aynı zamanda elektronları da kontrol edebiliyoruz.
Şekil 4. Femtosaniye lazerleri tarafından üretilen kısa darbeler (sağda), malzemeye milyon kez daha uzun (solda) olan darbelere göre daha az hasara neden olur. Ultra kısa ve ultra güçlü lazer darbeleri, göz cerrahisi, veri depolama ve dahili geçişler için cerrahi tıbbi stentlerin üretiminde kullanılabilir.
Şekil 5 Lazerin darbe hızı ne kadar hızlı olursa, süreç o kadar hızlı gözlemlenebilir. Ultra kısa lazer darbeleri yalnızca birkaç femtosaniye kadardır ve hatta attosaniye büyüklüğüne ulaşabilir.Bu, yalnızca tahmin edilebilen ancak gözlenemeyen fiziksel veya kimyasal işlemlerin fotoğraflanmasına olanak tanır; elektronların çekirdek etrafındaki hareketi de attosaniye kameralarla gözlemlenebilir. .
Daha güçlü bir lazere doğru
Bu yeni lazer teknolojilerinin çok sayıda uygulaması geliyor: daha hızlı elektronikler, daha verimli güneş pilleri, daha iyi katalizörler, daha güçlü hızlandırıcılar, yeni enerji kaynakları ve ilaç tasarımı vb. Lazer fiziği alanında rekabetin daha yoğun olacağına şüphe yok.
Donna Strickland şu anda Kanada'da araştırma çalışmalarına devam ederken, Fransa'ya dönen Jha Moreau Pan-Avrupa Lazer Projesi ve diğer konulara katılıyor. Birkaç yıl içinde Çek Cumhuriyeti, Macaristan ve Romanya'da üç lokasyonda tamamlanacak olan Extreme Light Infrastructure'ın (ELI) erken gelişimini başlattı ve yönetti. ELI tasarımının en yüksek gücü 1016 watt'a ulaşacak ki bu da aynı anda 100 trilyon akkor ampulü yakmak için yeterli.
Üç lokasyondaki tesisler farklı araştırma alanlarına odaklanacak: Macaristan attosaniye lazer araştırmalarına odaklanacak, Romanya nükleer fiziğe odaklanacak ve Çek Cumhuriyeti yüksek enerjili parçacık ışınlarına odaklanacak.
Ayrıca Çin, Japonya, ABD ve Rusya, yeni ve daha güçlü lazer tesisleri kurmayı planlıyor.
Bir sonraki gelişmeyle ilgili olarak, bazı insanlar lazer gücünün büyük ölçüde 1017 watt'a çıkacağını tahmin etmişlerdir. Ancak lazer teknolojisinin gelişimi burada bitmiyor - neden güç 1021 watt'a ulaşmak için daha yüksek olamıyor? Işık atım süresi neden sıfır saniye (10-21 saniye) mertebesine ulaşamıyor?
Lazer fiziği alanında sürekli olarak yeni sınırlar açılıyor: Bir boşlukta kuantum fiziği araştırmalarından kanser hücrelerinin yüksek enerjili proton ışınlarıyla yok edilmesine kadar, araştırmacıların gözleri önünde yeni bir resim yavaş yavaş ortaya çıkıyor.
Bununla birlikte, bu yeni lazer teknolojisi buluşları bile insanlara ilham vermek ve bilim adamlarına mikroskobik alanda sürekli yeni ve daha büyük atılımlar yapma konusunda ilham vermek için yeterlidir. Ne de olsa, "insanlığa en büyük faydayı sağlamak", bir asırdır Nobel Ödülü'nün asıl amacıdır.
Şekil 6 En güçlü lazer darbesinin gelişim geçmişi. Bunlar arasında, bu yılın ödüllü CPA teknolojisi, lazer darbe gücünün büyüklüğünü büyük ölçüde artırdı ve bu alanda temel bir teknolojidir.
Kurbağa yavrusu Personel
Yetkili, ilgi çekici ve hayata yakın olmaya odaklanın İnternet bilimi iletişim
