Kereső toggle

A lézer mindent vitt

Hárman kapták az idei fizikai Nobel-díjat

Továbbítás emailben
Cikk nyomtatása

Lézercsipeszért és az ultragyors impulzusok területén elért felfedezésért ítélte oda a Nobel Bizottság a fizikai Nobel-díjat ebben az évben. A most díjazott felfedezéseknek köszönhetően vírusokat, sejteket és molekulákat tudunk lézernyalábokkal megfogni és manipulálni, molekuláris mozit tudunk készíteni, vagy szemműtéteket végezni.

 

A 2018-as fizikai Nobel-díj felét a bizottság Arthur Ashkinnek ítélte oda az úgynevezett optikai csipesz vagy lézercsipesz feltalálásáért. Ashkin még 1970-ben írt cikket arról, hogy lézerrel meg lehet fogni molekuláris méretű objektumokat, de csak több mint tizenöt évvel később sikerült elkészítenie az első optikai csipeszt, amelyben egy lézernyalábot használt. A megfogott objektumot a gravitáció és a lézernyaláb ereje tartotta egyensúlyban, ez az elrendezés azonban nem volt ideális, túl kicsi részecskék esetében ugyanis a gravitációs erő nagyon kisméretű, ezért a csipesz nem volt teljesen megbízható.

A konvencionális lézercsipesz végül két szembefordított lézernyalábbal működik; a két ellentétes irányú erő csapdázza a miniatűr objektumot, amelyet a lézernyalábok mozgatásával szintén el lehet mozdítani. Ashkinnek sikerült bebizonyítania, hogy a csipesszel vírusokat és sejteket képes manipulálni, ráadásul azzal, hogy zöld lézer helyett infravörös lézereket alkalmazott, csökkentette a lézernyaláb által okozott káros hatásokat. Az Ashkin által használt módszert követve az első vizsgált biológiai objektum egy baktérium flagelluma (ostora) volt, amelynek a mechanikai tulajdonságait határozták meg, de később ezzel a módszerrel sikerült például jellemezni a DNS-szál flexibilitását is. Magyarországon először ifjabb Kellermayer Miklós professzor használt ilyen eszközt, aki a Pécsi Orvostudományi Egyetem Biofizikai Intézetében saját építésű lézercsipesszel végzett mechanikai méréseket a szervezet legnagyobb méretű fehérjéjén. A titinnek nevezett izomfehérjét lézercsipesz segítségével nyújtotta meg, miközben mérte az erőt és a fehérje végére helyezett mikrogyöngy elmozdulását.

A 96 éves Arthur Ashkin egyébként a legidősebb, Nobel-díjjal jutalmazott tudós. Amikor életkorára utalva a Nobelprize.org újságírója megkérdezte arról, hogy dolgozik-e még, Ashkin kicsit rosszallóan válaszolt, hogy persze, éppen cikket írna, ha nem hívogatnák folyamatosan. Ashkin arra a kérdésre, hogy a Nobel-díj örömére ünnepelni fognak-e, szinte felcsattant, hogy nem ünnepel régi dolgokat, hiszen amiért a Nobelt kapta, azt már régen felfedezte, és különben is már mondta, hogy egy fontos cikken dolgozik, és nem ér rá az ünneplésre.

A Nobel Bizottság a 2018-as fizikai Nobel-díj másik felét szintén egy lézerhez kapcsolódó felfedezésért ítélte oda Gérard Mourounak és egykori tanítványának, Donna Stricklandnek, megosztva. Ebben az esetben a bizottság egy olyan technikai felfedezést jutalmazott, amelynek ma már nagyon sok területen gyakorlati haszna van. A nyolcvanas évek közepén a lézerkutatások eljutottak egy olyan határhoz, ahol a lézerimpulzusok energiáját nem lehetett tovább növelni anélkül, hogy a felerősített impulzus már ne tenne kárt magában az eszközben, a lézerben levő tükrökben és más alkatrészekben. Ennek az oka az, hogy a másodperc egymilliárdod részének ezredrészéig tartó impulzusban már akkora energia van, hogy ha azt fókuszálják, elkerülhetetlen az elemek sérülése. Strickland és Mourou a radartechnikából átvett ügyes trükkel megkerülték a problémát. Először egy egy kilométernél is hosszabb optikai szálban időben megnyújtották az impulzust, amit így már veszély nélkül egymilliószorosára tudtak erősíteni, majd a végén újra összenyomták. A végeredmény egy időben rövid, de nagyenergiájú impulzusokkal rendelkező lézernyaláb. A felfedezés forradalmasította a tudományágat, a következő évtizedben már a másodperc milliárdod részének milliomod részéig tartó impulzusokat sikerült felerősíteni.

A felfedezést követően – de nemcsak annak köszönhetően – hatalmas forradalom játszódott le az ultragyors impulzusok előállításának területén, a kilencvenes években már sikerült behatolni a femtoszekundumos időtartamok területére, ami azt jelenti, hogy az impulzusok hossza a másodperc milliárdod részének milliomod részére rövidült, amit hétköznapi szinten fel sem lehet fogni, és megmérni is csak összetett módszerekkel lehetséges. Az ilyen rövid impulzusoknak az a jelentősége, hogy míg a lézer átlagos energiája nem kifejezetten nagy, egy-egy impulzusban olyan hatalmas energia van, amellyel rendkívül pontos és nagyon vékony metszéseket lehet elvégezni. Ennek megfelelően a femtoszekundumos lézerek szinte rutinberendezéssé váltak a szemészeti műtétek során. A szemlencsetok eltávolítása például ilyen lézerekkel valósul meg, az ultrarövid impulzussal ugyanis pont ott lehet a metszést végrehajtani, ahol szükség van rá anélkül, hogy a környező szöveteket roncsolná.

Az ultragyors lézerimpulzusoknak ugyanakkor nemcsak a gyógyászatban van óriási jelentősége, hanem a kutatásokban is, ezek segítségével ugyanis olyan molekuláris folyamatokat tudunk „kockáról kockára” követni, amelyek ezen az időskálán játszódnak le. Bármennyire is nehezen elképzelhető, a természetben számos olyan folyamat zajlódik le, amely a másodperc milliárdod részének az ezred- vagy százezredrésze alatt (vagyis a piko- vagy femtoszekundumos időskálán) történik.

A 2015-ös kémiai Nobel-díjjal értékelt kutatásban vizsgált fehérjékben a működés során az elektron ilyen rövid idő alatt ugrál az ilyen módon egyfajta nanodrótként működő aminosavakon.

Bár Gérard Mourou már több mint két évtizede kétségtelenül a terület szupersztárja, nem mindenkit ért kellemes meglepetésként a díjazása. „Ellentmondásos figura, de kétségtelen, hogy amit ma csinálunk, az ő felfedezésére épül” – mondta a Heteknek az Oxford melletti Rutherford Appleton központi lézerlaboratórium egyik magas beosztású lézerfizikusa. A francia École Polytechnique egyik legsikeresebb kutatója elhárította az érdeklődést: „Inkább nem kommentálnám, de annak fényében, hogy ebben az évben egy zaklatási botrány miatt nem osztják ki az irodalmi Nobel-díjat, igen érdekes videója van a Youtube-on.” Ezzel arra utalt, hogy Gérard Mourou és munkatársai néhány éve olyan videót tettek fel a Youtube-ra, amelyen a tudós és diákjai reaggie-re táncolva énekelnek a nagyenergiájú lézerek áldásairól. A Nobel-díj kihirdetését követően a videó körül hatalmas vita alakult ki, tekintettel arra, hogy a felvételen táncoló diáklányok meglehetősen alulöltözöttek.

Mourou elutasítottságának oka éppen a sztárallűrökben keresendő. 2005-ben visszatért a Michigani Egyetemről, ahol az áttörést elérte, és újra a legismertebb francia elitegyetemen, az École Polytechnique-en kezdett el dolgozni olyan fizetésért, amely nagyobb volt, mint a köztársasági elnöké. Hatalmas elánnal és egóval állt neki megszervezni az extrém nagy intenzitású lézernyalábokat előállító kutatóintézetet (ELI = Extreme Light Infrastructure). Mindeközben rengeteget szerepelt, nyilatkozott, népszerűsítette saját magát és az ELI-t. (Az általa szervezett szemináriumokon – amelyeken a vendégei többnyire a korábbi munkatársai, barátai voltak, többen szintén Nobel-díjasok –, a hallgatóság soraiban többen stopperórával mérték, hogy hány percig fog magáról beszélni a vendég bemutatása helyett. A rekord meghaladta a negyedórát.) Mourou befolyását, marketinghez való érzékét jól jelzi, hogy sikerült tető alá hoznia egy, az Európai Unió által finanszírozott kutatóintézet-hálózatot, amely nagyenergiájú lézerek fejlesztésével és alkalmazásával foglalkozik. Ennek a kezdeményezésnek lett a nyertese Magyarország is, mivel az ELI attoszekundumos impulzusok előállításáért felelős gigalaboratóriuma Szegedre került – a két másik kutatóintézet Csehországban és Romániában épül.

A díj bejelentése után a tudós az École Polytechinque-en megtartott előadásán és sajtótájékoztatóján is elmondta, hogy nagyon meg van hatva a díjtól, de tulajdonképpen számított rá. Mourou valójában már tíz évvel ezelőtt az École Polytechnique belső lapjában kifejtette, hogy kétszeresen is jár neki a Nobel-díj, egyrészt a CPA (Chirped Pulse Amplification) miatt, másrészt az ELI megszervezése okán. A sajtótájékoztatón az is látszott, hogy annak ellenére meglepettnek tűnt, hogy diákja, Donna Strickland is megkapta a díjat, pedig az eredeti felfedezést közlő cikknek ketten voltak a szerzői. Donna Strickland mellesleg a harmadik nő, aki fizikai Nobel-díjat kapott; Maria Goeppert-Mayer 55 évvel ezelőtt, Marie Curie pedig 115 éve kapta meg a díjat.

Olvasson tovább: