Zahlavi

Iniciátor ELI Beamlines Gérard Mourou získal Nobelovu cenu za fyziku

Iniciátor ELI Beamlines Gérard Mourou získal Nobelovu cenu za fyziku

Mon Oct 08 11:32:26 CEST 2018

Nejvyšší vědecké ocenění letos vyzdvihuje „světelné paprsky přeměněné v nástroje“. O Nobelovu cenu za fyziku se dělí tři vědci: Arthur Ashkin, Gérard Mourou a Donna Stricklandová. Získali ji za objevy, které přinesly revoluci v oblasti laserové fyziky a laserových technologií a nacházejí široké využití jak v průmyslu či medicíně, tak v základním vědeckém výzkumu, kde otevírají dveře do dosud neprozkoumaných oblastí.

Královská švédská akademie věd letos vyjádřila nejvyšší uznání vědcům, kteří umožnili poznání nesmírně malých objektů a nezměrně rychlých procesů. Díky nim získala nejen fyzika, ale i chemie, biologie a medicína nepředstavitelně přesné nástroje jak pro základní výzkum, tak pro praktické aplikace.

Ultrakrátké laserové pulzy Gérarda Mouroua a Donny Stricklandové

Francouz Gérard Mourou (École Polytechnique v Palaiseau ve Francii a University of Michigan v USA) se o polovinu Nobelovy ceny za fyziku podělí rovným dílem s Kanaďankou Donnou Stricklandovou (University of Waterloo v Kanadě) – teprve třetí ženou v historii, která toto ocenění získala. Společně otevřeli cestu k nejkratším a nejintenzivnějším laserovým pulzům, jaké kdy lidé vytvořili. Jejich vědecké poznatky našly široké využití např. v očním lékařství při operacích dioptrických vad, při transplantaci rohovky, ale samozřejmě rovněž v průmyslu.

Gérard Mourou a Donna Stricklandová spolu objevili techniku zvanou chirped pulse amplification, která se používá k zesílení ultrakrátkých laserových pulzů a umožnila skokově zvýšit výkon velkých laserových zařízení. Právě na této technice jsou založeny krátkopulzní lasery v mezinárodním centru s nejmodernějšími laserovými systémy ELI Beamlines v Dolních Břežanech u Prahy. Právě ultrakrátké laserové pulsy tam produkované umožní vytvořit experimentálně zatím nedosažitelné intenzity polí pro hledání odpovědí na celou řadu zásadních teoretických otázek, které se dosavadními prostředky nedají řešit. Přispějí například k pokroku v zobrazování mikrosvěta a umožní studovat základní kvantově elektrodynamické jevy a procesy, stavbu a strukturu vakua atd.

ELI Beamlines v Dolních Břežanech je splněným snem letošního nobelisty

Gérard Mourou je hlavním iniciátorem evropského projektu ELI neboli Extreme Light Infrastructure. Jedno z jeho laserových center – ELI Beamlines – stojí v Dolních Břežanech nedaleko Prahy, další části se nacházejí v Maďarsku a Rumunsku. Gérard Mourou ELI Beamlines navštívil už v průběhu jeho výstavby v roce 2015. „Opravdu mě potěšilo vidět, že se můj sen v zásadě plní. Staví se tam opravdu nádherná infrastruktura, v níž se bude provádět nový typ vědy. V zásadě se tam bude zkoumat řada efektů, které se zatím studovaly pomocí konvenčních urychlovačů částic využívajících elektronů, protonů atp. My ale teď budeme používat lasery a pracovat s fotony,“ řekl tehdy Gérard Mourou.

2018_10_08_Nobel_fyzika_Mourou
Gérard Mourou při rozhovoru s redaktorkou Akademického bulletinu v roce 2015

Na otázku, jaké výhody představuje nové laserové centrum pro vědce, Gérard Mourou tenkrát odpověděl: „V první řadě může být příslušné zařízení daleko kompaktnější – a dále samozřejmě zkoumané interakce laserového záření s hmotou mohou být velice odlišné a vést k nové fyzice. V některých případech mohou být i praktické aplikace daleko jednodušší a levnější. Jako jeden z příkladů bych zmínil přeměnu – transmutaci – jaderného odpadu: místo využívání typických urychlovačů, které jsou dlouhé třeba kilometr, se může použít laserový urychlovač jen asi desetimetrový, tedy daleko menší.“

Laserové centrum ELI Beamlines už funguje a očekává se, že otevře cestu k průlomovým objevům v nanotechnologiích, materiálových vědách a strojírenství, v biologii, chemii či astrofyzice, v medicíně, ve vývoji nových léků nebo léčbě rakovinných nádorů v rámci protonové terapie. „Lasery se dají využít k vytváření daleko kratších pulzů a s daleko vyšší energií než dosud. Proto mohou sloužit například k výzkumu vakua. Vakuum je nejdůležitější medium, které máme, protože z něj všechno pochází a ve vakuu jsou zapsány veškeré fyzikální zákony. Takže mu musíme porozumět,“ řekl Gérard Mourou, který předpovídá do budoucna široké využití laserů o špičkových výkonech až v řádech neuvěřitelných 1021 W neboli zettawattů. Zároveň očekává i dosažení nepředstavitelně krátkých laserových pulzů v řádu zeptosekund neboli 10-21 s.

„Mohou posloužit tím, že se pokusí napodobit děje, které probíhaly v počátcích vesmíru. Můžeme vytvořit situaci, kdy v jednom okamžiku z vakua – a vakuum samozřejmě není nicota – kdy tedy z vakua vzniklo a zhmotnilo se světlo. A tento typ výzkumů se budeme snažit dělat s ultrakrátkými a mimořádně intenzivními impulzy světla. Jelikož, jak jsem řekl, vakuum není nicota, vznikají a zanikají tam tzv. virtuální částice, dochází tam k tzv. kvantovým fluktuacím, které nevidíte. Laser vytvářející extrémně silné elektrické pole do vakua ´nakoukne´. Můžeme jím takříkajíc rozbít vakuum, abychom pochopili jeho složení.“

Ultrakrátké laserové pulzy pomohou podle Gérarda Mouroua odhalit jednu z největších záhad dneška, temnou hmotu a její podstatu. „Víme, že temná hmota existuje – ale nevidíme ji. Je to podobné jako kvantové fluktuace nebo záření. Existují experimenty naznačující, že použitím vysokointenzivních laserů ji můžeme odhalit.“

Vědci podle Gérarda Mouroua potřebují ultraintenzivní lasery, aby jejich pomocí mohli provádět experimenty a testovat své hypotézy v nejrůznějších oblastech vědy. „Navrhujeme experimenty, které by mohly potvrdit ten či onen jev. Fyzika a naše znalosti obecně se skládají z cihel – a každé z těch cihel je potřeba dokonale porozumět, jinak budeme stavět zeď, která není moc pevná, a nemůže být tedy ani moc vysoká.“

 Celý rozhovor s G. Mourouem pro Akademický bulletin z roku 2015:

Arthur Ashkin a optická pinzeta

Druhá polovina Nobelovy ceny připadne Arthuru Ashkinovi z Bellových laboratoří v USA, který je vůbec nejstarším laureátem nejvyššího vědeckého ocenění – je mu už 96 let. Obdržel je za objev tzv. optické pinzety, což je zařízení, které využívá mechanického účinku fokusovaného (zaostřeného, soustředěného) laserového svazku k zachycení a přemísťování mikroobjektů a nanoobjektů v prostoru, aniž by se poškodily. Slouží zejména při studiu biologických systémů. Pomocí laserových ramen optické pinzety se totiž dá manipulovat s jednotlivými buňkami nebo dokonce s jednotlivými organelami uvnitř buňky, je možné uchopit například viry, jednotlivé atomy apod.

Pro názornější využili ve švédské akademii věd zapnutý fén na vlasy a pingpongový míček, který se v proudu vzduchu vznášel a posouval podle potřeby – optická pinzeta ovšem nevyužívá proud vzduchu, ale svazek laserového světla, přičemž tlak záření posouvá částice ke středu svazku a udrží je tam. Ashkinova optická pinzeta tak slovy Královské švédské akademie věd přinesla zcela nové možnosti pro pozorování a ovládání životních pochodů.

Optickou pinzetu využívají při svých výzkumech také badatelé v Ústavu přístrojové techniky AV ČR, konkrétně ve skupině levitační fotoniky.

 

Připravila Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto:
Niklas Elmehed. © Nobel Media, Stanislava Kyselová, AV ČR