ابزارهای ساخته از نور

سفر در باریکه‌های نور

آرتور اشکین رویایی داشت؛ تصور کنید که بتوان از باریکه‌های نور برای جابه‌جا کردن اجسام استفاده کرد. در سریال تلویزیونی پیشتازان فضا که در سال‌ 1960 شروع شد امکان استفاده از یک باریکه نور برای پیدا کردن و آوردن اجسام، حتی سیارک‌ها، بدون لمس کردن آن‌ها وجود داشت. البته، این موضوع کاملاً علمی ـ تخیلی به نظر می‌رسد. می‌توانیم حس کنیم که باریکه‌های نور خورشید حامل انرژی‌اند ـ در نور آفتاب گرم می‌شویم ـ گرچه فشار این باریکه برای اینکه حتی یک سیخونک کوچک را حس کنیم بسیار کم است. اما آیا نیروی آن برای به حرکت درآوردن ذرات بسیار کوچک و اتم‌ها کافی نیست؟

بلافاصله پس از اختراع اولین لیزر در سال 1960، اشکین در آزمایشگاه‌های بل در خارج نیویورک، شروع به آزمایش با این ابزار جدید کرد. در لیزر، برخلاف نور سفید معمولی که در آن مخلوطی از همه‌ رنگ‌های رنگین‌کمان وجود دارد و در همه جهت‌ها پخش می‌شود، امواح نور به‌صورت همدوس حرکت می‌کنند.

اشکین متوجه شد که لیزر ابزاری کامل برای به دست آوردن باریکه‌های نور جهت به حرکت درآوردن ذرات است. او آن را به کره‌های شفاف میلی‌متری تاباند و البته، کره‌ها بلافاصله به حرکت درآمدند. همزمان با آن، اشکین با تعجب دریافت که کره‌ها به طرف مرکز باریکه، که شدت آن بیشینه بود، کشیده می‌شوند. توجیه این موضوع آن است که باریکه لیزر هر چقدر هم که نوک‌تیز باشد، شدت آن از مرکز به طرف لبه‌ها کم می‌شود. بنابراین، فشار تابش نور لیزر به ذرات هم تغییر می‌کند و آن‌ها را به وسط باریکه‌ای که آن‌ها را نگه داشته است می‌راند.

اشکین برای نگه داشتن ذرات در جهت باریکه، یک عدسی قوی را برای کانونی کردن نور لیزر به‌کار برد. در نتیجه ذرات به نقطه‌ای کشیده شدند که بیشترین شدت را داشت. به این ترتیب که یک تله نوری به وجود آمد، این تله به انبرک‌های نوری معروف شد.

اشکین تله نوری‌اش را به وجود می‌آورد

1. کره‌های کوچک شفاف با تاباندن نور لیزر به آن‌ها به حرکت درمی‌آیند. سرعت آن‌ها با برآورد نظری اشکین متناظر است، که نشان می‌دهد درواقع فشار تابش، آن‌ها را به پیش می‌راند.

2. یک اثر غیرمنتظره شیب نیرویی بود که کره‌ها را به مرکز باریکه می‌راند که شدت نور در آنجا بیشینه بود. زیرا با حرکت به طرف خارج شدت کم می‌شود و مجموع همه نیروها کره‌ها را به مرکز باریکه می‌راند.

3. اشکین با گرفتن باریکه لیزر به طرف بالا کره‌ها را بلند می‌کند. فشار تابش درخلاف جهت گرانی است.

4. باریکه لیزر با یک عدسی کانونی می‌شود. نور، ذرات و حتی باکتری‌های زنده و سلول‌ها را با انبرک نوری می‌گیرد.

نور باکتری‌های زنده را گیر می‌اندازد

پس از گذشت چند سال و عقب‌نشینی‌های بسیار، تک‌تک اتم‌ها هم در تله به دام افتادند. مشکلات بسیاری وجود داشت: یکی از آن‌ها این بود که برای گرفتن اتم‌ها، انبرک نوری به نیروهای شدیدتر نیاز داشت و مشکل دیگر ارتعاش‌های اتم بود. باید راهی برای کند کردن اتم‌ها و قرار دادن آن‌ها در سطحی کوچک‌تر از نقطه پایان این جمله وجود می‌داشت. همه چیز وقتی در سال 1986 در جای خود قرار گرفت که انبرک نوری توانست با روش متوقف کردن و به دام انداختن اتم‌ها ترکیب شود.

در حالی‌که کند کردن اتم‌ها یک حوزه پژوهشی خاص شده بود، آرتور اشکین کاربرد کاملاً جدیدی برای انبرک‌های نوری خود کشف کرد که مطالعه دستگاه‌های زیست‌شناختی بود. بخت او را به آنجا کشاند. در تلاش جهت گیر انداختن ذرات هرچه کوچک‌تر، ‌او از نمونه‌هایی استفاده می‌کرد که تلفیقی از ویروس‌ها بودند. پس از اینکه اتفاقاً آن‌ها را در طول شب باز گذاشت، متوجه شد نمونه پر از ذراتی است که این‌سو و آن‌سو می‌روند. او با استفاده از یک میکروسکوپ کشف کرد که این ذرات باکتری‌هایی بودند که آزادانه شناور نیستند ـ وقتی این ذرات به باریکه لیزر نزدیک شدند در تله نوری به دام افتادند. با این همه، باریکه لیزر سبز او باکتری‌ها را می‌کشت، بنابراین، برای بقای آن‌ها باریکه ضعیف‌تری لازم بود. در نور فروسرخ نامرئی باکتری‌ها آسیب ندیدند و توانستند در تله تولیدمثل کنند.

در نتیجه، مطالعات اشکین روی باکتری‌های دیگر، ویروس‌ها و سلول‌های زنده متمرکز شد. سپس او نشان داد می‌توان بدون آسیب رساندن به غشاء سلول وارد آن شد.

اشکین یک دنیا کاربرد جدید برای انبرک‌های نوری خود یافت. یک تحول مهم توانایی بررسی ویژگی‌های مکانیکی موتورهای مولکولی بود، مولکول‌های بزرگی که کار حیاتی در داخل سلول‌ها انجام می‌دهند. اولین موردی که با استفاده از انبرک نوری به دقت نگاشته شد موتور پروتئین، کینزن، و حرکت گام به گام آن در امتداد ریزلوله‌هایی بود که بخشی از اسکلت سلول‌اند.

از داستان علمی ـ تخیلی تا کاربردهای عملی

در چند سال اخیر، بسیاری از پژوهش‌های دیگر با الهام از روش‌های اشکین و در جهت بهتر شدن آن‌ها صورت گرفته است. توسعه کاربردهای بی‌شمار انبرک‌های نوری اکنون امکان مشاهده، چرخاندن، فشار دادن و کشیدن را بدون تماس با جسم مورد نظر فراهم ساخته است. در بسیاری از آزمایشگاه‌ها، انبرک‌های نوری وسیله استاندارد جهت مطالعه فرایندهای زیست‌شناختی مانند پروتئین‌ها، موتورهای مولکولی، DNA یا زندگی درونی سلول‌ها هستند. تمام‌نگاری اپتیکی در بین جدیدترین این تحولات است که در آن هزاران انبرک، مثلاً برای جدا کردن سلول‌های خونی سالم از سلول‌های آلوده، همزمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. چیزی که می‌توان در مبارزه با مالاریا به‌صورت گسترده به‌کار برد.

آرتور اشکین هرگز از شگفت‌زده شدن در مورد توسعه انبرک‌های نور خود دست نکشیده است، ماجرایی علمی ـ تخیلی که اکنون صورت واقعیت به خود گرفته است. بخش دوم جایزه نوبل امسال ـ اختراع تپ لیزری بسیار کوتاه و با شدت زیاد ـ نیز متعلق به پژوهشگرانی است که بصیرتی بلندپروازانه از آینده داشته‌اند.

فناوری جدید برای باریکه‌های بسیار کوتاه با شدت زیاد

الهام‌بخش این پژوهش یک مقاله علمی همگانی بود که رادار و امواج رادیویی بلند آن را توصیف می‌کرد. با این همه، تعمیم دادن آن به ایده امواج نوری با طول موج کوتاه‌تر، هم به لحاظ نظری و هم در عمل، دشوار بود. کار مربوط به این موفقیت در مقاله‌ای در دسامبر سال 1895 چاپ شد که اولین مقاله علمی دونا استریکلند بود. او از کانادا به دانشگاه راچستر در ایالات متحده آمده بود و باریکه‌های لیزر سبز و قرمزی که مثل درخت کریسمس آزمایشگاه را روشن می‌کردند توجه او را به فیزیک لیزر جلب کرده بود، البته رویاهای استاد راهنمایش ژرار مورو در این مورد بی‌تأثیر نبود. یکی از این رویاها اکنون واقعیت یافته است: ایده تقویت تپ‌های کوتاه لیزری تا سطح‌های بی‌سابقه.

نور لیزر در یک واکنش زنجیره‌ای تولید می‌شود که در آن ذرات نور یعنی فوتون‌ها، فوتون‌های بیشتری را تولید می‌کنند. این فوتون‌ها به‌صورت تپ‌هایی گسیل می‌شوند. از زمان اختراع لیزر، در تقریباً 60 سال پیش، پژوهشگران در پی آن بودند که تپ‌های با شدت بیشتری را تولید کنند. با این همه، در اواسط سال‌های 1980، به پایان راه رسیدند. زیرا امکان افزایش شدت تپ‌های کوتاه بدون نابود کردن ماده‌ تقویت‌کننده وجود نداشت.

روش استریکلند و مورو که به تقویت مداوم تپ¹، CPA معروف است هم ساده و هم ظریف است. تپ کوتاهی را در نظر بگیرید آن را در طول زمان بکشید، و دوباره کنار هم بگذارید. وقتی تپی برحسب زمان کشیده شود، قله توان آن پایین می‌آید که به معنی آن است که می‌توان آن را بدون آسیب رساندن به تقویت‌کننده بسیار تقویت کرد، یعنی نور در سطح بسیار کوچکی از فضا متراکم می‌شود و شدت تپ به میزان بسیار زیاد افزایش می‌یابد.

چند سال طول کشید تا استریکلند و مورو همه چیز را به‌طور موفقیت‌آمیز با هم ترکیب کنند. طبق معمول، تعداد زیادی از جزئیات علمی و مفهومی مشکلاتی را به وجود آوردند. به‌عنوان مثال، قرار بود تپ با استفاده از یک کابل نوری به طول
km 5/2 که تازه به دست آمده بود کشیده شود. اما هیچ نوری از آن بیرون نیامد ـ کابل جایی در وسط آن شکسته شده بود. پس از دردسرهای بسیار، معلوم شد که km 4/1 هم کافی است.

یک چالش مهم همگاه‌سازی مرحله‌های مختلف در دستگاه بود تا ابزار باریکه‌کش با متراکم‌ساز همساز شود. این مسئله حل شد و استریکلند و مورو در سال 1985 توانستند ثابت کنند که رویای زیبایشان عملاً هم کار می‌کند.

روش CPA که استریکلند و مورو اختراع کردند فیزیک لیزر را متحول ساخت. این روش به‌صورت استانداردی برای تمام لیزرهای با شدت زیاد در آمد و راه ورود به حوزه‌هایی جدید و کاربردهای فراوان در فیزیک، شیمی و پزشکی شد. اکنون می‌توان کوتاه‌ترین تپ‌های لیزری را با بیشترین شدت در آزمایشگاه تولید کرد.

سریع‌ترین دوربین فیلم‌برداری جهان

از این تپ‌های بسیار کوتاه و دارای شدت زیاد چگونه استفاده می‌شود؟ یک حوزه جدید بهره‌برداری از آن‌ها روشن کردن سریع رویدادهایی بود که مدام در جهان میکروسکوپی بین مولکول‌ها و اتم‌ها رخ می‌دهد. وقایع به سرعت اتفاق می‌افتند، به قدری سریع که برای مدتی زیاد فقط توصیف آنچه پیش و پس از آن‌ها رخ می‌دهد امکان‌پذیر بود. اما با تپ‌های فمتوثانیه‌ای، یعنی میلیونیم یک میلیاردیم ثانیه، می‌توان رویدادهایی را مشاهده کرد که پیش از این آنی به نظر می‌رسید.

شدت بسیار زیاد لیزر نور آن را برای تغییر دادن ویژگی‌های ماده مناسب می‌سازد: عایق‌های الکتریکی را می‌توان به رسانا تبدیل کرد؛ و با باریکه‌های بسیار نوک‌تیز می‌توان برش‌ها یا سوراخ‌های بسیار دقیق در مواد ـ حتی ماده زنده ـ به وجود آورد.

به‌عنوان مثال، می‌توان از لیزرها برای ذخیره‌سازی کارآمدتر داده‌ها استفاده کرد، زیرا ذخیره‌سازی نه فقط در سطح ماده بلکه در سوراخ ریز عمیقی که در محیط ذخیره‌سازی به وجود آمده است هم امکان‌پذیر است. از این فناوری برای ساخت استنت‌های جراحی ـ استوانه‌های میلی‌متری از فلز کشیده شده که رگ‌های خونی، مجاری ادرار و دیگر راه‌های عبور در داخل بدن را گشاد و محکم می‌کند ـ استفاده می‌شود.

حوزه‌های کاربرد بی‌شماری وجود دارند که هنوز کاملاً بررسی نشده‌اند. هرگام به جلو به پژوهشگران امکان می‌دهد بصیرت بیشتری درباره دنیاهای جدید به دست آورند و هم حوزه پژوهش و هم کاربردهای عملی را تغییر دهند.

یکی از حوزه‌های جدید پژوهش که در سال‌های اخیر به وجود آمده فیزیک اتوثانیه است. تپ‌های لیزری کوتاه‌تر از یک صد اتوثانیه (هر اتوثانیه یک میلیاردیم یک میلیاردیم ثانیه است) جهان شورانگیز الکترون‌ها را نمایان می‌سازد. الکترون‌ها اسب‌های بارکش شیمی هستند؛ آن‌ها مسئول ویژگی‌های اپتیکی و شیمیایی همه مواد و پیوندهای شیمیایی هستند. اکنون نه‌تنها می‌توان آن را مشاهده کرد، بلکه کنترل آن‌ها هم امکان‌پذیر است.

به سوی نور حتی غیرعادی‌تر

بسیاری از کاربردهای این روش‌های جدید در لیزر در انتظار ماست مانند الکترونیک سریع‌تر، سلول‌های خورشیدی کارامدتر، کاتالیزگرهای بهتر، شتابدهنده‌های توانمندتر، منابع جدید انرژی، یا داروهای طراحی شده. تعجبی ندارد که رقابت در فیزیک لیزر بسیار شدید است.

دونا استریکلند اکنون کار پژوهش خود را در کانادا دنبال می‌کند، در حالی‌که ژرار مورو که به فرانسه بازگشته است، درگیر یک فعالیت اروپایی در فناوری لیزر در بین سایر فعالیت‌هاست. او بنیان‌گذار و هدایت‌کننده توسعه اولیه زیرساخت نور غیرعادی² (ELI) است. سه پایگاه در جمهوری چک، مجارستان و رومانی طی چند سال آینده تکمیل خواهند شد. قله توان پیش‌بینی شده 10 پتاوات است که هم‌ارز یک درخش بسیار کوتاه از صدهزار میلیارد لامپ است.

این پایگاه‌ها در حوزه‌های مختلف تخصص خواهند داشت ـ اتوثانیه در مجارستان، فیزیک هسته‌ای در رومانی و باریکه‌های ذره پرانرژی در جمهوری چک. امکاناتی حتی توانمندتر در چین، ژاپن، ایالات متحده و روسیه برنامه‌ریزی شده‌اند.

حدس و گمان‌هایی درباره گام بعدی وجود دارد: افزایش ده‌برابری توان، تا 100 پتاوات، رویاهای مربوط به آینده لیزر در اینجا متوقف نمی‌شود. چرا به توان زتاوات (یک میلیون پتاوات، 1021 وات) دست پیدا نکنیم، یا تپ‌های زپتوثانیه‌ای، که با زمان باورنکردنی 21-10 ثانیه هم‌ارزند؟ افق‌های جدید در برابرمان گشوده می‌شوند، از مطالعات فیزیک کوانتومی در خلأ تا تولید باریکه پروتون با شدت زیاد که می‌توانند در از بین بردن سلول‌های سرطانی در بدن مورد استفاده قرار بگیرند. با این همه، حتی همین حالا هم این اختراع‌های بلندآوازه امکان آن را فراهم کرده‌اند که در جهت اهداف عالی آلفرد نوبل ـ یعنی بیشترین منفعت برای بشر ـ در جهان کوچک مقیاس به کندوکاو بپردازیم.

پی ‌نوشت ‌ها

1. Chirped Pulse Amplification

2. Extreme Light Infrastructure