SFから実用までのレーザー

• View:792     2018年10月04日

• 今年ノーベル賞を受賞した発明は、レーザー物理学に革命をもたらし、非常に小さな物体と非常に高速なプロセスが新しい形で現れるようにしました。 物理学、化学、生物学、医学だけでなく、基礎研究や実用化に使用できる精密機器を購入しています。
  
  
  Arthur Ashkinは、レーザービームで粒子、原子、分子を取り出すことができる光ピンセットを発明しました。また、ウィルスやバクテリアなどの生きている細胞を拾い、検査や取り扱い中に損傷を受けないようにします。 アシュキンのオプティカルピンセットは、人生を観察して制御する機械に新たな機会をもたらします。
  
  GérardMourouとDonna Stricklandは、人間によって作られた最短で最強のレーザーパルスの基礎を築いた。 彼らが開発する技術は、新しい研究分野を開き、幅広い産業および医療アプリケーションを提供します。たとえば、毎年、最も鋭いレーザービームで行われる無数の眼科手術があります。

  光の中を旅行する

  Arthur Ashkinには夢があります：もし、ビームを使って物体を動かすことができるのであれば、それはいいですね。1960年に打ち上げられたStar Trekシリーズでは、牽引ビームを使って宇宙の小惑星まで物理的に接触することなく物体を取り出すことができます。もちろん、これは純粋なSFのように聞こえます。 私たちは、太陽がエネルギーを運んでいると感じることができます - 私たちは太陽の下で熱く感じます - 梁の圧力は非常に小さく、ちょっとした推力でさえ感じることはできません。しかし、小さな粒子や原子を押し出すのに十分な力はありますか？
  
  
  
  1960年に最初のレーザーが発明された後、アシュキンはすぐにニューヨークの外のBell Labsで新しいマシンの実験を開始しました。 レーザーでは、光波はコヒーレントに前方に伝播し、通常の白色光では、ビームは虹のすべての色と散乱した光を各方向に混合します。
  
  アシュキンは、レーザーがビームを用いて微視的な粒子を移動させる理想的なツールであることを認識しました。彼はミクロンサイズの透明な球体を照らし、確かに、ボールはすぐに動かすことができます。アシュキンが同時に驚いたのは、球体がビームの中央に吸い込まれたということでした。光の強さが最も大きかったのです。
  なぜ？ レーザーがどれほどシャープであっても、その強度は中心から端まで常に弱くなります。したがって、粒子へのレーザーの放射圧も変化し、粒子をビームの中央に向かって押して中心に維持します。
  
  粒子をビームの方向に保つために、Ashkinは高強度のレンズを付けてレーザーを集束させた。 したがって、粒子は光強度が最大となる点に引き寄せられる。 ライトトラップが生まれました。 その後、光ピンセットと呼ばれました。

  光で生きた細菌を捕獲する

  何年もの努力と繰り返しの失敗の後、光トラップは最終的に単一原子を捕捉することができます。この期間には多くの困難がありました。一つは、光が原子を捕獲するほど強くなければならないということです。2番目は原子の熱振動です。 だから、原子の動きを減速させて、ある期間よりも小さい、非常に小さな領域に閉じ込める方法を見つけなければなりません。1986年までに、すべてが準備できました。光を他の手段と組み合わせて、原子を停止して捕捉することができます。
  
  
  
  原子の減速が独立した研究分野に進化するにつれて、Arthur Ashkinは光の新しい利用を発見しました。生物システムの研究のためです。彼の発見は、実際には機会の偶然です。 彼は小さなモザイクウイルスを使って、軽い隔膜で小さな粒子を捕まえようとしました。彼が一晩中サンプルを開いたままにした後、サンプルは周りを走る大きな粒子で覆われていました。アシュキンは顕微鏡で粒子が実際に自由に泳ぐことのできない細菌であることを観察しました。レーザービームに近づくにつれて光トラップによって捕らえられました。しかしアシュキンの緑色のレーザーエネルギーは強すぎて細菌を殺すことができません。 従って、細菌の活性を維持するためには、より弱いエネルギーのレーザーを使用する必要がある。赤外線レーザーを用いると、細菌は損傷を受けず、光トラップで増殖し続けることができます。
  
  従って、Ashkinの研究は、様々な異なる細菌、ウイルスおよび他の生きた細胞に焦点を当てている。彼は細胞膜を破壊することなく細胞に触れることができることを証明しました。アシキンは、光学式ピンセットを使用して全く新しいアプリケーションを開設しました。 この技術によってもたらされた重要なブレークスルーは、細胞内の分子モーターの機械的特性を研究する能力です。分子モーターは細胞内で極めて重要な役割を果たします。 研究者らは、「キネシン（kinesin）」と呼ばれる第一モータータンパク質のことを詳細に説明したが、これは微小骨格である細胞骨格に沿って段階的に移動することがわかった。

  SFから実用まで

  過去数年の間に、多くの他の研究者が、アシュキンの手法を利用してそれを洗練させてきました。現在、光ピンセットは、研究者が被験者に触れることなく実験的な物体を観察、反転、切断、引っ張ることを可能にする無数のアプリケーションを駆動します。したがって、多くの研究所では、光ピンセットは、個々のタンパク質、分子モーター、DNAまたは細胞内操作などの生物学的プロセスを研究するための標準的な装置です。光ホログラフィは、感染細胞から健康な血液細胞を分離するなど、何千ものサソリが同時に働くことを可能にする最近の進歩の1つであり、マラリアに対する研究に広く使用することができます。

  アシュキンは彼のツールの進歩に常に驚いています。 他の2つの勝者の発明 - 超短パルスレーザーと素晴らしいレーザーパルス - はかつて未来の夢でした。