• Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Källa: Nobel Media AB 2018.

 

Igår annonserades årets Nobelpris i fysik. Jättespännande tycker vi på Unga Forskare! För att bena ut begreppen och lära oss mer om laserfysik har vi tagit hjälp av vår förbundsordförande Linnea Suomenniemi, som pluggar till civilingenjör inom nanoteknik. Linnea är alltså helt rätt person för att berätta om årets Nobelpris i fysik, så att vi alla hänger med i svängarna. 

Text: Linnea Suomenniemi

 

Pincetten. Ett vardagligt verktyg som du säkert själv använt för att dra ut en sticka ur fingret eller för att få tag på något som varit lite för svårt för att greppa med bara händerna. Men pincetten är också ett verktyg som länge varit viktigt inom forskningen eftersom den har gett oss möjlighet att greppa små saker med stor precision. Men den traditionella pincetten har också den sina begränsningar. När man vill se och få tag i riktigt små partiklar blir det genast mycket svårare. När vi rör oss ned från millimeterstora objekt till mikrometer och nanometer behövs det en annan teknik för att kunna hålla fast objekt eftersom det helt enkelt blir för svårt att bygga traditionella pincetter med tillräckligt små gripdon.

En del av årets Nobelpris i fysik går just till en sådan här pincett som har banat väg till att hålla fast små objekt på ett nytt sätt. Arthur Ashkin har varit del i upptäckten av metoden att använda ljus för detta ändamål i vad som kallas en optisk pincett.

Men att använda ljus för att hålla fast partiklar tänker ni kanske, hur fungerar egentligen det? Kan man verkligen gripa tag i något med enbart ljus?

För att bättre förstå hur detta går till borde vi snabbt bara repetera lite om ljus. Ljus är som du nog redan vet en våg och beroende på hur stor våglängden är så får vi olika färger som motsvarar olika energier. Vitt ljus såsom den från solen består av ljus i alla olika våglängder men det är även möjligt att välja ut en färg på ljuset, en våglängd, och i en laser förstärka den så att man får en stråle ut som enbart består av en färg.

En optisk pincett är just en laserstråle som man riktar genom ett mikroskop och för nära partikeln man vill hålla fast. Men till skillnad från en vanlig pincett utnyttjar man ljusets strålningstryck, alltså en kraft som drar partikeln till laserstrålen. Det gör det då möjligt att hålla fast partiklar för att till exempel studera dem under mikroskop eller flytta dem till en annan plats. De är även möjligt att flytta på levande materia såsom bakterier helt utan att skada dem, vilket Ashkin visade 1987 och det är någonting som verkligen revolutionerat den medicinska forskningen eftersom det underlättat studier av biologiska system.

Den andra delen av Nobelpriset gick till Gerard Mourou och Donna Strickland för att de banat väg för en metod att få fram väldigt korta och intensiva laserpulser som kallas CPA eller chirped pulse amplification. En laser består av en viss våglängd av ljus som man förstärker och likriktar. Men för att kunna få riktigt intensiva lasrar behöver man ”packa ihop” ljuset till korta pulser och sända dem kort efter varandra. Eftersom man trycker ihop ljuset till korta pulser gör det också att man trycker ihop energin hos pulserna och kan sända många pulser efter varandra. Tänk dig ungefär som att du har ett grillspett där du vill få plats med så många marshmallows som möjligt. Låt oss säga att du får plats med 10 st om du låter dem sitta på ett avstånd där de precis nuddar varandra. Du kan såklart skära av delar av varje bit för att få plats med fler, men då förlorar du samtidigt en del av varje marshmallow. Men om du istället pressar ihop varje marshmallow så mycket du kan och sedan trär på dem kommer du märka att du får plats med många fler, och ändå har du kvar alla bitarna hela.

Precis så är det med laserpulserna i CPA. Man har funnit ett sätt att behålla hela pulsen men har tryckt ihop den så att det får plats många fler pulser efter varandra och på så sätt kan man leverera mer energi (fler pulser) än vad man hade kunnat göra om man inte hade tryckt ihop dem. Det har funnits sätt att göra korta pulser innan CPA, men problemet med de metoderna var att man skadade materialet man använde för att förstärka pulsen eftersom den redan var väldigt kort och energirik. Men med Morous och Stricklands metod började man med att istället dra ut pulserna och göra dem längre för att minska toppenergin, sedan lät man dem gå igenom ett förstärkarmaterial som ökade intensiteten för att till sist trycka ihop pulsen.

 

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Figur 1. Tillvägagångssättet för att förstärka pulser enligt CPA-metoden. En puls dras ut för att sedan förstärkas och till sist tryckas ihop igen. I andra metoder försöker man förstärka pulsen direkt som den är, vilket leder till att man förstör förstärkarmaterialet. (Källa llustration: Johan Jarnestad. https://www.kva.se/sv/pressrum/pressmeddelanden/nobelpriset-i-fysik-2018)

 

Denna typ av metod har blivit standard bland höghastighetslasrar och har öppnat upp för nya många tillämpningar, i allt från att bygga kompakta partikelacceleratorer, till att möjliggöra synkorrigerande ögonoperationer för att rätta till till exempel närsynthet eller översynthet.

Under min utbildning till civilingenjör inom nanoteknik har jag många gånger befunnit mig omkring lasrar. Jag har gjort alltifrån hologram, undersökt hur man kan skapa lasrar där man kan byta våglängd, försökt förstå mig på interferens med små ofarliga lasrar där det räcker med att man har en blinkreflex för att undvika skador vid kontakt med ögonen. Men jag har också stått i labbet med energirika pulslasrar där man var tvungna att ha speciella skyddsglasögon och där det var strikt förbjudet att hamna i ögonhöjd med lasern, inte ens för att ta upp pennan man tappat på golvet. Att skapa en koherent och energirik laser är inte det enklaste och kräver ofta hela rum med utrustning. Det är otroligt avancerat och jag har stor respekt för alla tre Nobelpristagare i fysik 2018 som redan under 1980-talet kunde komma fram till avancerade metoder med lasrar som vi använder oss av än idag och som framöver fortsatt kommer vara av stor betydelse. 

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Linnea Suomenniemi, förbundsordförande, Unga Forskare.