• Começa Com Um Estrondo

É por isso que o Prêmio Nobel de Física de 2018, para lasers, é tão importante

Os pré-amplificadores do National Ignition Facility são o primeiro passo para aumentar a energia dos feixes de laser à medida que avançam em direção à câmara-alvo. A NIF alcançou recentemente um disparo de 500 terawatts - 1.000 vezes mais energia do que os Estados Unidos usam a qualquer momento. (DAMIEN JEMISON/LLNL)

O prêmio deste ano representa não apenas um único exemplo de trabalho brilhante, mas gerações de avanços que levaram a ele.

Todos os anos, é entregue o prêmio mais prestigioso na mais fundamental das ciências naturais: o Prêmio Nobel de Física. Alguns prêmios recentes literalmente abalaram nossa compreensão do Universo, desde a descoberta da energia escura até o bóson de Higgs e a primeira detecção direta de ondas gravitacionais . Outros foram mais obscuros, mas não menos importantes, como para o desenvolvimento do LED azul ou avanços na topologia aplicada a materiais . O prêmio deste ano vai para Arthur Ashkin, Gérard Morou e Donna Strickland, por invenções inovadoras no campo da física do laser.

À primeira vista, isso pode não parecer grande coisa, considerando o quão comuns são os lasers. Mas se olharmos mais de perto, você entenderá por que não é apenas digno do Nobel, mas por que é tão significativo para o empreendimento humano da ciência.

Um conjunto de ponteiros laser Q-line mostra as diversas cores e tamanho compacto que agora são comuns para lasers. Os lasers de operação contínua mostrados aqui são de potência muito baixa, medindo apenas watts ou frações de watts, enquanto o registro de alta potência agora é medido em petawatts. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS NETWEB01)

É fácil ignorar os lasers; em 2018, eles estão em toda parte. A luz pode ser uma onda, mas produzir luz coerente (em fase), monocromática (todas no mesmo comprimento de onda) e de alta potência são algumas das razões pelas quais os lasers são tão especiais. Os lasers são usados ​​no LIGO, por exemplo, para medir pequenas mudanças nas distâncias espaciais quando uma onda gravitacional passa. Mas eles também são usados ​​para sensoriamento remoto atmosférico, para medir a distância até a Lua e para criar estrelas-guia artificiais em astronomia.

Primeira luz, em 26 de abril de 2016, do 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF). Este avançado sistema de óptica adaptativa fornece um tremendo avanço para a astronomia e é um exemplo das fantásticas aplicações da tecnologia laser. (ESO/F. KAMPHUES)

Mas os lasers vão muito além de meras aplicações científicas. Eles são usados ​​no resfriamento a laser, que atinge as temperaturas mais baixas já alcançadas e confina os átomos em estados especiais da matéria conhecidos como condensados ​​de Bose-Einstein. Os lasers pulsados ​​são o componente essencial na fusão de confinamento inercial: uma das duas principais maneiras pelas quais a humanidade está tentando desenvolver a fusão nuclear aqui na Terra.

Existem aplicações militares, como miras a laser e mira a laser, médicas, como cirurgia ocular e tratamento de câncer, e industriais, como gravação a laser, soldagem e perfuração. Até mesmo os leitores de código de barras do seu supermercado são baseados em laser.

Ao “bombear” elétrons para um estado excitado e estimulá-los com um fóton do comprimento de onda desejado, você pode causar a emissão de outro fóton com exatamente a mesma energia e comprimento de onda. Esta ação é como a luz para um laser é criada pela primeira vez. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS V1ADIS1AV)

A própria ideia de um laser em si ainda é relativamente nova, apesar de quão difundidos eles são. O próprio laser só foi inventado em 1958. Originalmente um acrônimo para eu direito PARA amplificação por S estimulado E missão de R adiação, os lasers são um pouco impróprios. Na verdade, nada está realmente sendo amplificado. Eles funcionam aproveitando a estrutura da matéria normal, que possui núcleos atômicos e vários níveis de energia para seus elétrons ocuparem. Em moléculas, cristais e outras estruturas ligadas, as separações particulares entre os níveis de energia de um elétron determinam quais transições são permitidas.

A maneira como um laser funciona é oscilando os elétrons entre dois estados permitidos, fazendo com que eles emitam um fóton de uma energia muito particular quando caem do estado de energia mais alto para o mais baixo. Essas oscilações são o que causa a emissão de luz. Nós os chamamos de lasers, talvez, porque ninguém envolvido achou que era uma boa ideia usar a sigla eu direito OU oscilação por S estimulado E missão de R Adição.

Amplificadores para o OMEGA-EP da Universidade de Rochester, iluminados por lâmpadas de flash, poderiam acionar um laser de alta potência dos EUA que funciona em prazos muito curtos. (UNIVERSIDADE DE ROCHESTER, LABORATÓRIO DE ENERGIA LASER / EUGENE KOWALUK)

Desde que foi inventado, houve uma série de maneiras que a humanidade criou para melhorar o laser. Ao encontrar diferentes materiais que permitem fazer transições de elétrons em diferentes energias, você pode criar lasers com uma ampla variedade de comprimentos de onda específicos. Ao otimizar o design de colimação do seu laser, você pode aumentar tremendamente a densidade da luz do laser em grandes distâncias, criando muito mais fótons por unidade de volume do que você faria de outra forma. E usando um amplificador melhor, você pode simplesmente criar um laser mais enérgico e poderoso em geral.

Mas o que muitas vezes é mais importante que o poder é o controle. Se você pode controlar as propriedades do seu laser, você pode abrir todo um novo mundo de possibilidades para sondar e manipular a matéria e outros fenômenos físicos no Universo. E é aí que entra o Prêmio Nobel deste ano.

Os campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase que se propagam na velocidade da luz definem o que é a radiação eletromagnética. A menor unidade (ou quantum) de radiação eletromagnética é conhecida como fóton. (Hamamatsu Photonics K.K.)

A luz, não importa de que tipo seja ou como é produzida, é sempre uma onda eletromagnética. Isso significa que, à medida que viaja pelo espaço, cria campos elétricos e magnéticos oscilantes. A força desses campos aumenta, diminui, inverte as direções e continua nesse padrão oscilante, com campos elétricos e magnéticos em fase e perpendiculares um ao outro.

Se você pode controlar os campos que surgem dessa luz, controlando a direção e a magnitude dos campos elétricos e magnéticos em uma determinada região do espaço, então você pode manipular a matéria nesse local. A capacidade de manipular a matéria dessa forma está incorporada na tecnologia de ficção científica do raio trator. E este ano, metade do Prêmio Nobel vai para o desenvolvimento de pinças ópticas, que são basicamente a versão real disso.

Este esquema mostra a ideia de como funciona a tecnologia de pinças ópticas a laser. Há muito um sonho de ficção científica, fixar um objeto no lugar com luz, pinças ópticas tornam isso realidade, permitindo a manipulação de células inteiras até moléculas individuais. (JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES)

Arthur Ashkin, vencedor da metade do Prêmio Nobel de 2018, inventou uma ferramenta conhecida como pinça óptica. Através da aplicação de lasers com uma configuração específica, objetos físicos, desde pequenas moléculas até bactérias inteiras, poderiam ser empurrados. A maneira como essas pinças ópticas operam é empurrando pequenas partículas em direção ao centro de um feixe de laser e fixando-as lá. Não se trata de altos níveis de poder; trata-se de altos níveis de controle preciso.

Ajustando ligeiramente as propriedades do laser envolvido, as partículas fixadas podem ser guiadas de maneiras específicas. O grande avanço que levou ao Nobel de Ashkin veio em 1987, quando ele usou a técnica da pinça óptica para capturar bactérias vivas sem causar nenhum dano a elas. Desde esse avanço, pinças ópticas têm sido usadas para estudar sistemas biológicos e investigar a maquinaria da vida, desde a escala de células individuais para baixo.

Ao prender uma partícula com uma molécula motora específica ligada a ela em um par de pinças ópticas, podemos manipular a molécula e fazer com que ela se transporte ao longo de qualquer superfície à qual possa se ligar. Esse nível de controle sobre moléculas individuais é um tremendo avanço tecnológico, possibilitado pela técnica da pinça óptica. (JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES)

Às vezes, porém, o que você quer controlar não são os campos elétricos e magnéticos, mas sim a potência e a frequência de pulso do seu laser. Pensamos na luz do laser como sendo continuamente emitida, mas isso nem sempre é necessariamente o caso. Em vez disso, outra opção é economizar a luz do laser que você está produzindo e emitir toda essa energia em uma única e curta rajada. Você pode fazer isso tudo de uma vez ou pode fazê-lo repetidamente, potencialmente com frequências relativamente altas.

O principal perigo em construir um pulso grande, curto e ultra poderoso, como o tipo que você usaria na fusão de confinamento inercial, é que você destruirá o material usado para amplificar a luz. A capacidade de emitir um pulso de alta energia de curto período foi outro dos santos graais da física do laser. Desbloquear esse poder significaria abrir um conjunto de novos aplicativos.

Muito mais coisas se tornam possíveis se seus pulsos de laser se tornarem compactos, mais energéticos e existirem em escalas de tempo mais curtas. A segunda metade do Prêmio Nobel de Física de 2018 foi concedida exatamente por essa inovação. (JOHAN JARNESTAD)

Esse é exatamente o problema que os vencedores da outra metade do Prêmio Nobel de 2018 – Gérard Mourou e Donna Strickland – resolveram. Em 1985, eles publicaram um artigo juntos onde detalhavam exatamente como criaram um pulso de laser ultracurto e de alta intensidade de maneira repetitiva. O material amplificador utilizado não foi danificado. A configuração básica era de quatro etapas simples em princípio, mas monumentais na prática:

• Primeiro, eles criaram esses pulsos de laser relativamente padrão.
• Então, eles esticaram os pulsos no tempo, o que reduz sua potência de pico e os torna menos destrutivos.
• Em seguida, eles amplificaram os pulsos de potência reduzida e estendidos no tempo, aos quais o material usado para amplificação agora poderia sobreviver.
• E, finalmente, eles comprimiram os pulsos agora amplificados no tempo.

Ao tornar o pulso mais curto, mais luz se acumula no mesmo espaço, levando a um aumento maciço na intensidade do pulso.

Lasers de zetawatt, atingindo uma intensidade de 10²⁹ W/cm², devem ser suficientes para criar pares reais de elétron/pósitron a partir do próprio vácuo quântico. A técnica que permitiu que o poder de um laser aumentasse tão rapidamente foi a amplificação de pulso chirped, que Mourou e Strickland desenvolveram em 1985 para ganhar uma parte do Prêmio Nobel de física de 2018. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO SLASHME)

A nova técnica, conhecida como amplificação de pulso chirped, tornou-se o novo padrão para lasers de alta intensidade; é a tecnologia utilizada nas milhões de cirurgias oculares corretivas realizadas anualmente. O trabalho pioneiro de Mourou e Strickland tornou-se a base do doutorado de Strickland. tese, e há mais aplicações sendo descobertas para seu trabalho em uma ampla variedade de campos e indústrias.

Começando com um pulso de laser de baixa potência, você pode esticá-lo, reduzindo sua potência, depois amplificá-lo, sem destruir seu amplificador, e depois comprimi-lo novamente, criando um pulso de maior potência e período mais curto do que seria possível. Estamos agora na era da física dos attossegundos (10^-18 s), no que diz respeito aos lasers. (JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES)

Desde a sua invenção, há apenas 60 anos, os lasers têm entrado em inúmeros aspectos de nossas vidas. O Prêmio Nobel foi estabelecido para recompensar cientistas e avanços científicos que teriam o maior impacto positivo na humanidade. Os avanços na tecnologia a laser certamente melhoraram nossas capacidades em uma ampla variedade de campos e se encaixam nesse critério de forma espetacular. Com base apenas nos méritos da ciência, bem como em seus impactos na sociedade, a sociedade Nobel claramente acertou o prêmio de 2018.

Mas também há outra maneira de acertar: ao escolher Donna Strickland para compartilhar o prêmio de 2018, isso marca apenas a terceira vez na história do Nobel que uma mulher compartilha o prêmio de física.

Os ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2018, juntamente com suas partes do prêmio, pelos avanços na física do laser. Isso marca apenas a terceira vez na história que uma mulher divide o prêmio. (NIKLAS ELMEHED. NOBEL MÍDIA)

Strickland se junta a Marie Curie (1903) e Maria Goeppert-Mayer (1963) como a terceira mulher a ganhar uma parte do Prêmio Nobel. O campo da física viu gerações de mulheres dignas do Nobel não serem recompensadas, incluindo cinco dos maiores esnobes do Nobel da história :

• Cecilia Payne (que descobriu do que são feitas as estrelas),
• Chien-Shiung Wu (que descobriu a violação de paridade na física de partículas),
• Vera Rubin (que descobriu o comportamento bizarro das curvas de rotação galáctica),
• Lise Meitner (que descobriu a fissão nuclear), e
• Jocelyn Bell-Burnell (que descobriu o primeiro pulsar).

Ao saber que ela receberia o Nobel, tornando-a a primeira mulher em 55 anos a ser premiada, Strickland observou:

Precisamos celebrar as mulheres físicas porque estamos lá fora, e talvez com o tempo isso avance. Tenho a honra de ser uma dessas mulheres.

Lise Meitner, uma das cientistas cujo trabalho fundamental levou ao desenvolvimento da fissão nuclear, nunca recebeu um Prêmio Nobel por seu trabalho e foi forçada a deixar a Alemanha devido à sua herança judaica. O Prêmio Nobel de Física de 2018 deve nos dar esperança de que os dias em que as mulheres tiveram seu crédito negado por seu bom trabalho ficaram para trás para sempre. (ARQUIVOS DA SOCIEDADE MAX PLANCK)

Muitas vezes se notou, como pela AAUW , que uma das barreiras para aceitar as mulheres em STEM como normais é a falta de representação nos níveis mais altos. Ao selecionar Donna Strickland como ganhadora do Prêmio Nobel, no mesmo ano em que Jocelyn Bell-Burnell recebeu o Prêmio Revelação de US$ 3 milhões, estamos nos aproximando de um mundo onde as mulheres podem esperar receber tratamento igual e respeito igual aos homens no campo científico. ambiente de trabalho.

Se sua pesquisa vai lhe render o Prêmio Nobel – ou até mesmo será bem sucedida – muitas vezes é em grande parte uma questão de sorte. Mas recompensar aqueles que fazem um bom trabalho, têm sorte em como a natureza responde e levam ao desenvolvimento de aplicações tecnológicas que servem à humanidade é o objetivo do Nobel. Este ano, não há dúvida de que o comitê de seleção acertou. Vamos todos celebrar Ashkin, Mourou e Strickland como seus Prêmios Nobel de Física de 2018!

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .