Вісник НАН України. 2019. № 2. С. 58-67
https://doi.org/10.15407/visn2019.02.058

НЕГРІЙКО Анатолій Михайлович
член-кореспондент НАН України, завідувач відділу лазерної спектроскопії Інституту фізики НАН України

ЯЦЕНКО Леонід Петрович —
академік НАН України, завідувач відділу когерентної і квантової оптики Інституту фізики НАН України

НОВІ ІНСТРУМЕНТИ, СТВОРЕНІ СВІТЛОМ
Нобелівська премія з фізики 2018 року

2 жовтня Нобелівський комітет при Королівській шведській академії наук оголосив  рішення про присудження Нобелівської премії з фізики в 2018 р. трьом ученим, які працюють у галузі лазерної фізики. Половина премії дісталася американському досліднику Артуру Ашкіну (Arthur Ashkin) за «створення оптичного пінцета і його застосування в біологічних системах». Другу половину премії поділили між собою французький фізик Жерар Муру (Gérard Mourou) і канадська дослідниця Донна Стрікленд (Donna Strickland) «за метод генерації високоінтенсивних ультракоротких оптичних імпульсів».

Нобелівську премію з фізики 2018 року присуджено за проривні винаходи трьом ученим, які працюють у галузі лазерної фізики: Артуру Ашкіну (Arthur Ashkin) — за оптичні пінцети та їх застосування до біологічних систем, а також Жерару Муру (Gérard Mourou) і Донні Стрікленд (Donna Strickland) — за метод генерації високоінтенсивних ультракоротких оптичних імпульсів.

Артур Ашкін у віці 96 років став найстаршим за всю історію нобелівським лауреатом, а Донна Стрікленд — лише третьою за всю історію жінкою, удостоєною Нобелівської премії у галузі фізики. До того ж Донну Стрікленд було відзначено премією фактично за першу в її житті наукову роботу, опубліковану разом з її науковим керівником Жераром Муру в 1985 р.

Хто уважно стежить за рішеннями Нобелівського комітету, легко помітить, що лазер часто фігурує в роботах, за які присуджують цю високу нагороду, як інструмент, за допомогою якого було відкрито гравітаційні хвилі, створено мікроскоп надвисокої роздільної здатності, охолоджено до наднизьких температур атоми, здійснено маніпулювання окремими атомами та фотонами, надано метрологам нові методи вимірювання оптичних частот — перелік можна продовжувати й далі.

Що ж нового принесли людству нобелівські лауреати 2018 року? Як змінилося наше життя з появою цих проривних відкриттів?

Артур Ашкін, багаторічний співробітник Лабораторії Белл у м. Холмдел (США), став дев’ятим нобелівським лауреатом, який працював у стінах цієї відомої лабораторії. Він народився 2 вересня 1922 р. у Нью-Йорку, в сім’ї вихідців з України з єврейськими коренями: його батько, Ісидор Ашкін (уроджений Ашкіназі), народився в Одесі і в 1909 р. емігрував разом зі своїм братом з Києва до США, а мати, Анна Ашкін, народилася у Східній Галичині.

Після закінчення школи у 1940 р. Артур Ашкін почав навчатися в Колумбійському університеті (Columbia University) та одночасно працював техніком у Колумбійській радіаційній лабораторії (Columbia's Radiation Lab), в якій розробляли магнетрони для армії. Тоді йшла Друга світова війна, і на другому курсі Артура Ашкіна призвали на військову службу, але він був переведений до резерву і продовжив у лабораторії Колумбійського університету роботу зі створення магнетрона для військових радарних установок.

Після закінчення війни Артур Ашкін завершив навчання у Колумбійському університеті, де в 1947 р. отримав ступінь бакалавра, а потім продовжив навчання на відділенні ядерної фізики Корнельського університету (Cornell University). Одним із його викладачів був знаменитий Річард Фейнман, майбутній нобелівський лауреат. У 1952 р. Артур Ашкін здобув ступінь доктора філософії Корнельського університету і того ж самого року розпочав свою 40-річну кар’єру в Lucent Technologies (яка пізніше увійшла до Bell Telephone Laboratories). Спочатку він працював у галузі мікрохвильового випромінювання, а в 1960–1961 рр. зацікавився лазерами і з 1963 р. очолив відділення лазерних досліджень. Його роботи q опубліковані в цей період статті стосувалися нелінійної оптики, оптичних волокон, параметричних генераторів і параметричних підсилювачів. Артур Ашкін з колегами зробив перші спостереження генерації лазерних гармонік, параметричного підсилення, ініціював дослідження нелінійно-оптичних явищ в оптичних волокнах і виявив фоторефракційний ефект, який сам пізніше називав своїм першим відкриттям. У 1967 р. він перейшов до лабораторії Bell Laboratories в м. Холмдел у Нью-Джерсі, де зайнявся розробленням лазерних пасток. У 1992 р. Артур Ашкін вийшов на пенсію, але продовжував брати участь у роботах лабораторії Bell Labs аж до її закриття в 2006 р.

Артуру Ашкіну належать слова: «Всі вивчали лазер. Я почав лазером працювати». На початку 1970-х років Артур Ашкін започаткував систематичні дослідження за допомогою лазера тиску світла — явища, теоретично передбаченого Дж. Максвеллом у другій половині ХІХ ст. та експериментально підтвердженого П.М. Лебедєвим у 1900 р. Після винаходу лазерів, які дали можливість створювати потужні колімовані світлові пучки з добре контрольованими параметрами, вивчення тиску світла вийшло на новий рівень, значною мірою завдяки піонерським роботам Артура Ашкіна. Як результат, сьогодні в науковому середовищі багато хто вважає його батьком використання тиску лазерного випромінювання.

У своїх перших роботах з цього напряму Артур Ашкін досліджував світловий тиск сфокусованого лазерного випромінювання на прозорі сферичні частинки розміром декілька мікрометрів. І хоча механізм тиску світла був загалом відомий, у його експериментах було виявлено нові закономірності, що стали основою для винаходу новогоінструмента для маніпулювання об’єктами мікронного та субмікронного розміру — лазерного пінцета. Так, у першій його публікації на цю тему 1970 р. [1] було виявлено, що прозорі малі латексні сфери у воді, потрапляючи на край лазерного пучка, що поширювався горизонтально, переміщувалися до осі пучка — туди, де інтенсивність світла була максимальною. Пояснення, дане автором, ґрунтувалося на врахуванні неоднорідного поперечного розподілу інтенсивності світла в лазерному пучку, і проста схема заломлення світла латексною сферою, яка мала показник заломлення більший, ніж вода, показувала, що в такому пучку виникає сила, напрямлена по градієнту інтенсивності, яка і спрямовувала сферу на вісь пучка. На сферу діяла також сила, пов’язана з відбиванням і розсіюванням світла поверхнею сфери — неважко зрозуміти, що ця сила діяла у напрямі поширення лазерного пучка, вздовж його осі. Внаслідок дії цих двох сил сфера потрапляла у пастку — захоплювалася дією поперечної сили на осі пучка і притискалася тиском світла, спричиненим розсіюванням на сфері, до прозорого вікна оптичної кювети, крізь яку поширювався лазерний промінь.