Nobel za laser

Ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je za dva dostiguća, oba u vezi s laserima: prvi se dio nagrade odnosi na njihovu primjenu, a drugi na postizanje još veće jakosti.

Nenad Raos utorak, 9. listopada 2018. u 06:00

Što je laser? Ta riječ (već) iz svakodnevnog govora zapravo je kratica. Kratica od čega? Od kratkog opisa principa njegova djelovanja: light amplification by stimulated emission of radiation (pojačavanje svjetlosti poticanim odašiljenjem zračenja). Riječ je dakako o elektromagnetskom zračenju, a ono nastaje – općenito govoreći – kada dolazi do cikličke promjene jakosti elektromagnetskog polja u nekom oscilatoru. Ako se emitira svjetlost oscilator je elektronski omotač atoma, pri emisiji infracrvenog zračenja oscilator je molekula (koja vibrira tako da se atomi u njoj ciklički približavaju i udaljavaju), a kod mikrovalnog zračenja oscilator je opet molekula, no sada se ona pojavljuje kao rotor, zvrk koji se okreće oko neke svoje simetrijske osi.

No u mikrovalnoj pećnici (gdje rotiraju molekule vode) ili u užarenoj niti, danas već zabranjene žarulje (gdje vibriraju elektroni u atomu volframa) svaki atom ili molekula vibrira neovisno o drugome ili o drugoj  – za razliku od lasera u kojem svi oscilatori vibriraju usklađeno. Zahvaljujući toj usklađenosti dobiva se zraka svjetlosti koja ima četiri važna svojstva. Prvo je svojstvo monokromatičnost, što znači da svi atomi ili molekule osciliraju istom frekvencijom. Drugo je svojstvo koherentnost. To znači da svi oscilatori osciliraju u fazi. Treće je svojstvo usmjerenost: svjetlost se širi u jednom smjeru, u vrlo uskom snopu. Iz toga proizlazi četvrto, najvažnije svojstvo lasera: jakost. Zahvaljujući upravo tom posljednjem svojstvu laseri su ušli u sve pore života, a još će više u njih ući u budućnosti:  naveliko se radi na „zrakama smrti“ za obaranje balističkih projektila i drugih letećih objekata, a nedavno smo pisali i o mogućoj primjeni lasera za pogon svemirskih brodova (svemirskih jedrilica).

Ovogodišnja  Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je upravo za lasere. Opet je, kao i kod Nobelove nagrade za kemiju, riječ o dvjema nagradama, nagradama za dva neovisna dostignuća iz laseristike. Prva polovica nagrade pripala je Amerikancu Arthuru Ashkinufor his invention of optical tweezers and their application to biological systems“ (za njegov izum optičke pincete te njezinu primjenu na biološke sustave). Drugi dio nagrade pripao je francuskom znanstveniku Gérardu Mourou i kanadskoj znanstvenici Donni Stricklandfor their method of generating high-intensity, ultra-short laser pulses“ (stvaranje ultrajakih i ultrakratkih laserskih impulsa). Oba su nagrađenika već odavno u mirovini: Gérard Mourou ima 74 (r. 1944.), a Arthur Ashkin čak 96 godina (r. 1922.)! Jedino je dama među njima, Donna Strickland još u radnoj dobi (prema kriterijima našeg Ministarstva znanosti i obrazovanja) – jer joj je „samo“ 59 godina (r. 1959.). No dobro, u čemu se sastoji njihov doprinos fizici lasera i fizici općenito?

Povijest „optičke pincete“ počinje 1970. godine kada je prvi dobitnik ovogodišnje Nobelove nagrade došao na ideju da iskoristi lasersku zraku za micanje sitnih dielektričkih objekata (izolatora) u zraku i vodi. Nakon mnogo eksperimentiranja na kraju je 1986. došao do ključnog dostignuća, uspio je naime napraviti uređaj kojim je laserskom zrakom mogao po volji pomicati mikroskopske objekte. Dobio je toliko željenu „optičku pincetu“ ili – preciznije – „potpuno optičku zamku s jednom zrakom“ (all-optical single-beam trap). Riječ je o tome da se laserska zraka lećom mikroskopa usmjeri prema čestici u kojoj se potom, uslijed loma i raspršenja svjetlosti, javljaju dvije sile: jedna u smjeru širenja laserske zrake, dakle od mikroskopa, a druga u suprotnom smjeru, dakle prema mikroskopu. Taj je princip, uz upotrebu infracrvenog lasera (da se ne bi oštetile nježne biološke strukture) iskorišten za manipulaciju bakterijskim stanicama i virusnim česticama. Štoviše, postupkom francuskog znanstvenika bilo je moguće micati i organele te druge mikrostrukure u stanici pa tako potanko istražiti njihovo djelovanje. Iako je Ashkin izgubio nadu da bi svojom metodom mogao manipulirati i atomima, ipak se njihovoj veličini dobrano približio, jer najmanje čestice koje uspijeva pomicati imaju tek desetak nanometara – one su dakle stotinjak puta veće od atoma.

Drugi dio Nobelove nagrade ide za izum – napravljen još 1985. godine! – nečega što se krati CPA, a čita kao „chirped pulse amplification“ (pojačavanje proširenog (cvrkutajućeg) impulsa). Riječ je o tomu da se izvornom laserskom impulsu produži trajanje, čime mu se, jasno, smanjuje snaga. Potom se, u drugoj fazi CPA, pojačava snaga proširenog impulsa, da bi se, u trećem koraku, trajanje impulsa ponovno smanjilo, a snaga, jasno, povećala. Zahvaljujući metodi CPA jakost se laserske zrake povećala za osam redova veličina (sto milijuna puta!): do 1985. najjači su laseri imali jakost od 1015 W/cm2 – a danas već 1023 W/cm2. Štoviše, nema naznaka da jakost lasera neće i dalje linerno rasti, negdje oko sto tisuća puta za 20 godina. Za što se tako jake laserske zrake mogu upotrijebiti ne treba trošiti riječi, no ipak ću spomenuti primjenu u kirurgiji i u istraživanju nuklearne fuzije.

Sve u svemu, ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku pokazuje svu važnost lasera, uređaja koji su već odavno napustili znanstvene laboratorije. To dokazuje i podatak da je to već treća Nobelova nagrada dodijeljena za lasere: prva je dodijeljena 1964. za njihovo otkriće, a druga, ovaj put za kemiju, 1999. godine za primjenu lasera u istraživanju prijelaznih stanja molekula u kemijskim reakcijama. 

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je posljednju, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu ove godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.