Student Blog

 

Kája Týr

Ahoj! 

Jsem Kája Týr, 19tiletý student gymnázia a jaderňák, který věří, „že experiment je cestou k poznání“. Tomuto motu jsem mimo jiné dostál, když mi spadlo pravítko do nejmenovaného pražského jaderného reaktoru. Každým dnem jsem fascinován silou Matky přírody a hnán touhou pochopit ji zkoumáním fyziky na samých hranicích lidského poznání.

Jsem rád že se mnou vydáváte na tuto pouť se mnou a doufám, že při ní neobdržíme dávku vyšší než 3,6 roentgenu!

 

Kája Bauerová

Ahoj!

Jsem Kája Bauerová a odjakživa hledím k noční obloze s němým úžasem. Honba za otázkou Života, Vesmíru a vůbec mě nevyhnutelně zavedla k proudu moderní fyziky a, řeknu Vám, není nijak těžké nechat se jím strhnout. Mou jiskrou je poznávání světů, ve kterém žiji, ale zároveň i vytváření nových, za hranicemi fantazie...

Roztáhněte křídla e-knihy a poleťte se mnou!

 


Nobelova cena 2018 

Část první 

V roce 2018 byla Nobelova cena za fyziku udělena třem lidem — jedna polovina putovala k objeviteli tzv. optické pinzety (optical tweezers), Arthuru Ashkinovi, a druhá byla rozdělena mezi Donnu Stricklandovou a Gérarda Mouroua za objev techniky kmitočtově rozmítaného zesílení pulsu (CPA). V následujících dvou článcích Vás s oběma objevy seznámíme, nejprve by ale bylo dobré říct si něco málo o laseru samotném, protože oba objevy se týkaly právě jeho. 

Na počátku bylo světlo. Neuspořádané fotony vlétly přímo do rubínové tyčinky, vzbudily několik ospalých elektronů a postrčily je do vyšší energetické hladiny. Zmatené atomy zůstaly nějakou dobu v excitovaném stavu, a když jim konečně došlo, co se děje, přiměly elektrony vrátit fotony a znovu ulehnout v domovském orbitalu. Fotony, které elektrony uraženě odhodily, nalétávaly do dalších a dalších atomů a rychle jich přibývalo. Kdo nedržel směr, musel pryč. Dvě zrcadla jsou jako svět trampolín, jen jedno část fotonů propouští. Musíte se chovat slušně a nevybočovat, aby jste se dostali ven, na dlouhou cestu velkým světem. Držet se hezky pohromadě, nikdo se nesmí ztratit, už by totiž nikdy nenašel cestu zpátky ke svému svazku... 

Doufáme, že si užijete naší společnou objeviteskou výpravu k hranicím nemožného a zpět! 

Vaši autoři 

Kája & Kája 

Chirped Pulse Amplification (CPA) 

 

Jedním z oceněných objevů je technika CPA, sloužící ke zvýšení výkonu ultrakrátkých laserových pulsů. Na tomto objevu se rovným dílem podíleli francouz Gérard Mourou (École Polytechnique, University of Michigan) a kanaďanka Donna Stricklandová (University of Waterloo), kteří uspěli v roce 1985. Technika CPA znamenala revoluci v oblasti laserové fyziky a otevřela tak dveře experimentům, o kterých bylo do té doby možno uvažovat jen teoreticky. 

Ultrakrátké laserové pulsy nalezly v posledních desetiletích řadu uplatnění v chemii, fyzice, biologii i strojírenství. Velmi krátké trvání těchto femtosekundových pulsů (1 fs = 10-15 s = 0,000000000000001 s) umožňuje dosahovat velmi vysokých hodnot intenzity elektrického pole tvořeného laserovým svazkem. Takto intenzivní elektrické pole ale také dává vzniknout tzv. nelineárním optickým jevům — jevům, při kterých přestává platit lineární závislost polarizace světla na intenzitě elektrického pole. Tyto děje mají řadu negativních vlivů na šíření laserového pulsu, který může mít například tendenci samovolně se fokusovat, což může vést k poškození optické soustavy. 

Technika CPA přinesla elegantní řešení problému. Její princip spočívá ve změně délky ultrakrátkého laserového pulsu. Ten je nejprve prodloužen pomocí difrakční mřížky, čímž dojde ke snížení okamžité intenzity svazku při zachování jeho celkové energie. Poté může být intenzita pulsu zvýšena optickým zesilovačem do původních hodnot, čímž je zabráněno vzniku nelineárních optických jevů a zároveň dosaženo vyšší celkové energie. Na závěr je doba jeho trvání opět zkrácena difrakční mřížkou a je tak vytvořen ultrakrátký puls mnohonásobně vyšší intenzity. 

CPA umožňuje sestavení optických soustav s vysoce výkonnými laserovými zařízeními s mnohem menšími rozměry i i spotřebou elektrické energie. Sám Gérard Mourou označil tento objev za počátek éry T3 — “Table-Top Terawatt” — představující možnost sesatvit laser s okamžitým výkonem 1 TW na pracovní desce stolu. Potenciál, který tento fakt přináší, můžeme jednoduše ukázat na následujícím příkladu. Laserové zařízení NIF v Kalifornii, na kterém je prováděn výzkum jaderné fúze metodou inerciálního udržení (kde je cílem dosáhnout fúze zaostřením desítek ultrakrátkých laserových pulsů na vodíkový cíl velikosti kuličky pepře), dokáže dosáhnout okamžitého výkonu asi 500 TW a střílí v průměru 1x denně. Oproti tomu, laser L4 Aton v ELI Beamlines v Dolních Březanech, využívající techniky CPA, dokáže dosáhnout výkonu 10 PW (tedy 20x více) a střílet každou minutu. Metoda inerciálního udržení tedy může být zkoumána mnohem efektivněji, než tomu bylo před vynalezením CPA. 

CPA však nenalezla uplatnění pouze v experimentální fyzice. Zásadní pokroky díky ní učinila například medicína, specificky oční lékařství. Femtosekundové lasery se často používají v operacích LASIK, kde slouží k bezpečnému naříznutí rohovky oka, které je poté operováno jiným typem laseru, a až ten přímo léčí krátkozrakost. Nejnovější forma laserových operací, pojmenovaná poměrně trefným akronymem SMILE, dokonce používá pro celý zákrok pro celý zákrok pouze jeden femtosekundový laser a trvá řádově desítky sekund. 

Ačkoli se to na první pohled nezdá, člověk se s technologií CPA setkává každý den, protože se používá i ve výrobě tvrzených skel dotykových telefonů, či při precizním obrábění materiálů, kde je nutné minimalizovat tepelné efekty laseru na obráběný materiál, což by nebylo možné při použití souvislého laserového paprsku. 

Obecně se dá říci, že půvab CPA spočívá v tom, že i když byla tato technika objevena už v roce 1985, dodnes nám její principy umožňují rozšiřovat naše chápání okolního světa a posouvat hranice nemožného. 

 
 

 


 

 

Nobelova cena 2018

Část druhá

V roce 2018 byla Nobelova cena za fyziku udělena třem lidem — jedna polovina putovala k objeviteli tzv. optické pinzety (optical tweezers), Arthuru Ashkinovi, a druhá byla rozdělena mezi Donnu Stricklandovou a Gérarda Mouroua za objev techniky kmitočtově rozmítaného zesílení pulsu (CPA). O té jsme mluvili v minulém článku a dnes nám zbývá optická pinzeta. Stejně jako minule si i dnes nejprve připomeneme princip laseru, od kterého se oba objevy odvíjely.

Na počátku bylo světlo. Neuspořádané fotony vlétly přímo do rubínové tyčinky, vzbudily několik ospalých elektronů a postrčily je do vyšší energetické hladiny. Zmatené atomy zůstaly nějakou dobu v excitovaném stavu, a když jim konečně došlo, co se děje, přiměly elektrony vrátit fotony a znovu ulehnout v domovském orbitalu. Fotony, které elektrony uraženě odhodily, nalétávaly do dalších a dalších atomů a rychle jich přibývalo. Kdo nedržel směr, musel pryč. Dvě zrcadla jsou jako svět trampolín, jen jednu část fotonů propouští. Musíte se chovat slušně a nevybočovat, aby jste se dostali ven, na dlouhou cestu velkým světem. Držet se hezky pohromadě, nikdo se nesmí ztratit, už by totiž nikdy nenašel cestu zpátky ke svému svazku...

Doufáme, že si užijete naši společnou objeviteskou výpravu k hranicím nemožného a zpět!

Vaši autoři

Kája & Kája

Optical tweezers

Druhým oceněným objevem je zařízení zvané optická pinzeta (optical tweezers). Byla objevena američanem Arthurem Ashkinem na konci 80. let minulého století. Její význam vyplývá přímo z názvu, umožňuje totiž přesnou a nedestruktivní manipulaci s velmi malými objekty. Optická pinzeta nalezla mnoho využití v chemii, fyzice a biologii.

Fyzikální princip optické pinzety spočívá v rozdílných hodnotách hybnosti světla — čím intenzivnější světlo je, tím větší silou působí na těleso, na které dopadá. Abychom mohli tento princip pochopit, musíme nejprve zodpovědět otázku „Jak je možné, že má světlo hybnost?“ Tato otázka je logická, protože už na základních školách jsme zjistili, že hybnost tělesa lze vyjádřit jako součin jeho hmotnosti a rychlosti. Tento vztah však platí pouze při rychlostech zanedbatelných ve srovnání s rychlostí světla. Pokud chceme vyjádřit hybnost světla, musíme si pomoci speciální teorií relativity, kterou lze uplatnit pro vyjádření vztahů použitelných i v těchto případech. S její pomocí můžeme dospět k závěru, že hybnost světla odpovídá podílu jeho intenzity a rychlosti, což vysvětluje, proč nevnímáme sílu, kterou na nás světlo „tlačí“. Intenzita slunečních paprsků je asi 1000 W/m2. Síla, kterou působí sluneční svit na 1 m2, je tedy rovna 0,000003 N, což přibližně odpovídá gravitační síle vyvolané lidským vlasem.

Nyní se konečně dostáváme k optické pinzetě. Hybnost světla ovlivňuje naše každodenní životy minimálně, ale v mikrosvětě lze díky ní doslova dělat divy. Vezměme souvislý laserový paprsek a zaměřme ho na polystyrenovou kuličku o průměru 1μm. Ta funguje jako malá spojná čočka, paprsek se bude fokusovat. Pokud bude dopadat více světla na pravou stranu kuličky, paprsky se zkoncentrují směrem k jejímu středu (tedy doleva). Protože hybnost světla míří doleva, Newtonův zákon akce a reakce říká, že se kulička začne pohybovat opačným směrem, doprava. Stejným způsobem to funguje i opačně (světlo dopadá na levou stranu, fokusuje se směrem doprava a kulička se pohybuje doleva). Protože je největší intenzita světla uprostřed laserového svazku, kulička se tam ustálí; všechny složky sil se vyruší. Kulička se nebude pohybovat ani dopředu (jak by se mohlo na první pohled zdát), protože se světlo v jejím středu fokusuje a má tam tak nejvyšší intenzitu. Jedná se o dokonalou past, se kterou můžeme i manipulovat.

 

Optická pinzeta našla řadu využití v biologii, kde primárně slouží ke zkoumání molekul, buněk a buněčných procesů. Lze ji například použít ke zjišťování zdravotního stavu červených krvinek. Dvě mikroskopické kuličky se chemicky připevní na červenou krvinku, která je pak pomocí 2 optických pinzet roztahována různými silami. Pokud se při vynaložení určité síly krvinka roztahuje více či méně, než by měla, znamená to, že je s ní něco v nepořádku (může být například nakažena malárií).

Další využití optické pinzety můžeme nalézt v mikrochemii, kde je díky ní možné pozorovat chemické reakce přímo uvnitř buněk. K vytvoření těchto reakcí se používají vezikuly — membránové váčky uvnitř buněk, sloužící ke skladování, transportu a trávení složitějších organických látek. Nejprve jsou připraveny chemické reaktanty v uměle vytvořených vezikulech („liposomech“). Ty jsou poté přiblíženy pomocí optických pinzet. Jakmile se vezikuly dotýkají, použije se ultrafialový laser pro narušení jejich membrán, což je donutí spojit se a vytvořit společnou membránu. Chemické reaktanty jsou tak smíchány a proběhne kýžená reakce.

Objev optické pinzety také otevřel zcela nový vědní obor, optofluidiku. Optofluidka je multidisciplinární obor skládající se z optiky a mikrofluidiky — výzkumu kapalin velmi malých objemů. Optofluidika umožnila vytvořit koncept „laboratoře na čipu“, tedy zmenšení laboratoře, schopné provádět fyzikální, chemické biologické i optické pokusy, na velikost integrovaného obvodu, který by je byl schopen ihned vyhodnocovat. Světlo zde nalezlo roli zdroje energie; jsou konstruována zařízení (například vodní pumpy) napájené hybností světla. Optické pinzety pak slouží k přesnému zastavení a pozorování předmětů uvnitř této mini laboratoře.

Tak jako CPA přinesla nové možnosti ve vysokoenergetické fyzice, objev optické pinzety znamenal revoluci ve fyzice velmi nízkých energií a umožňuje provedení vysoce přesných experimentů, které dodnes posouvají hranice lidského vědění. Celkově tak lze říci, že ačkoliv jsou tyto nobelovské objevy na poli laserové fyziky na první pohled vzdálené, oba dodnes zaštiťují naši nekonečnou honbu za poznáním.

 

Reference

Zdroje informací:

https://www.sps.ch/en/articles/nobel-prizes/nobel-award-2018-in-physics/chirped-pulse-amplification-the-technology-and-its-applications/?fbclid=IwAR35dQ7DVihHedRbL0se8A0tgq6qCmOoiABTpQelNG6TWuslmMldZu54teg

https://www.youtube.com/watch?v=UAmdoOX3870

https://www.youtube.com/watch?v=VZR0lvLXYcU

https://www.youtube.com/watch?v=QeT73pfvWrQ

https://blocklab.stanford.edu/optical_tweezers.html

https://www.youtube.com/watch?v=_eVYHs9s4E4

https://www.youtube.com/watch?v=vb58pd2ycKQ

https://www.news-medical.net/life-sciences/What-are-Optical-Tweezers.aspx

https://lumicks.com/optical-tweezers-working-principle/

https://www.youtube.com/watch?v=ju6wENPtXu8

https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2019/cislo-2/opticka-pinzeta-svetelny-zablesk.html

http://opticaltweezers.org/

Zdroje obrázků:

https://lumicks.com/optical-tweezers-working-principle/

 

PARTNERS



Conference Secretariat: C-IN, 5. kvetna 65, 140 21 Prague 4, CZE | tel.: +420 261 174 301 | fax: +420 261 174 307
Home | Sitemap | Privacy Policy | info@ichep2020.org | Copyright © 2019 ichep2020.org
Powered and created by E-WORKS - web studio | XHTML 1.0 | CSS 2



Conference Secretariat: C-IN, 5. kvetna 65, 140 21 Prague 4, CZE | tel.: +420 261 174 301 | fax: +420 261 174 307
Home | Sitemap | Privacy Policy | info@ichep2020.org | Copyright © 2019 ichep2020.org
Powered and created by E-WORKS - web studio | XHTML 1.0 | CSS 2

Access
Congress
Portal