Arthur Ashkin leiutas laserivalgusest pintsetid, millega saab liigutada tillukesi osakesi, aatomeid ja molekule. Tehnika avas uue võimaluse elusorganismide nagu bakterite ning viiruste uurimiseks ja mõista paremini ka rakkude sisemuses toimuvat.

Gérard Mourou ja Donna Stricklandi töö sillutas teed aga kõige lühemate ja energeetilisemate laserimpulsside loomisele, mida maailm eales näinud. Tehnikast on tõusnud laialdast kasu tööstuses ja meditsiinis. Näiteks võimaldab see teha valutult ja kiirelt silmaoperatsioone.

BREAKING NEWS⁰The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Physics 2018 "for groundbreaking inventions in the field of laser physics" with one half to Arthur Ashkin and the other half jointly to Gérard Mourou and Donna Strickland. pic.twitter.com/PK08SnUslK

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 2, 2018

 Arthur Ashkini idee põhines lihtsal tähelepanekul, et isegi valgusosakesed avaldavad rõhku. Mida rohkem neid ühte kohta koondada, seda suurem see on. Laser viis selle täiesti uuele tasemele. Ashkin märkas juba 1960. aastatel, peagi pärast laseri leiutamist tehtud katsetes, et sellest piisab mõne mikromeetrise läbimõõduga osakeste liigutamiseks.

Ootamatult liikusid need seejuures kiire keskpunkti. Sinna, kus on valguskiir kõige intensiivsem. Nii õnnestus hoida füüsikul ülespoole suunatud laserkiirega tänu gravitatsiooni tasakaalustavale mõjule väikesi osakesi õhus hõljumas. Keerukama läätsedest koosneva süsteemiga sai sama teha horisontaalse laserkiirega.

"See ei ole kindlasti otsene-ühene rakendus laserimpulssidele. See kehtib väga väikeste osakeste jaoks teatud omaduste juures," märkis Heli Lukner, Tartu Ülikooli füüsikalise optika vanemteadur. Muu hulgas peavad olema õiged nii osakeste peegeldusomadused kui ka läbipaistvus.

Täiendava arendustööga suutis Ashkin hoida valgusega paigal üksikuid aatomeid ning hiljem baktereid, viiruseid ja elavaid rakke. Laser ei hävitanud isegi rakke ümbritsevaid membraane. See võimaldas uurida täiesti uuel viisil näiteks väikesi elusolendeid.

"Avastuse tähtsust on raske alahinnata. Väga väikeste rakkude ja osakeste manipuleerimised ongi võimalikud tänu valgusele. Võime ette kujutada, kui suur väljakutse oleks see mehaaniliselt," sõnas Lukner.

Gérard Mourou ja Donna Strickland leiutasid uue viisi, kuidas panna lühikesed laserimpulsid kandma rohkem energiat. Eesti keeles võiks nimetada seda sirts-impulsivõimenduseks. 1980. aastateks olid olemasolevad lähenemisviisid end ammendanud. Mourou ja Strickland otsustasid kasutada selleks radarist inspireeritud lahendust.

Lukner tõi välja, et tänapäeval asuvad optika ja radaritehnika arendamisega tegelevad teadlased üksteisest kaugel. "Teise valdkonna meetodite üle kandmine eeldab laia silmaringi, väga erksat mõtet ja kontakti teise valdkonna teadlastega," laiendas vanemteadur.

Täpsemalt võtsid Mourou ja Strickland esmalt lühikese valgusimpulsi ja venitasid selle ajaliselt välja. Impulsi kõrgema sagedusega komponent jõudis selle mõjul kohale hiljem kui madala sagedusega ehk punakam valgus. Valguslainete omavaheline faaside vaheline suhe jäi aga samaks. Impulsi pikkus kasvas sellega 1000 kuni 100 000 korda. Seega sai seda võimendada masinaid ja võimenduskeskonda hävitamata varasemast oluliselt rohkem. Viimaks pressiti impulss taas ajaliselt kokku.

Samas impulsis leidus energiat selle tulemusel suurusjärkude võrra rohkem. See võimaldas uurida teadlastel ülilühikestel ajaskaaladel toimuvaid protsesse -- isegi keemilisi reaktsioone. Samuti on võimalik muuta sedavõrd energeetiliste impulssidega ainete omadusi. Näiteks muuta isolaatorid elektrijuhtideks.

"Suure hetkintensiivsusega ülilühikeste impulsside genereerimine on jätkuvalt aktuaalne uurimisvaldkond nn teaduse lõiketeral, mis võimaldab luua näiteks erinevaid kõrge energiaga valgus impulsse või kiirendada laetud osakesi, mida kasutatakse näiteks keerukate molekulide ehituse uurimiseks või eksootiliste keemilisi reaktsioonide läbiviimiseks jpm," märkis Lukner.

Tehnikast on kasu ka laserkirurgias. Igal aastal tehakse ainuüksi silmaoperatsioone 30 miljonit.

Viimati pälvis Nobeli füüsikapreemia naine 1963. aastal. Nõnda pidas Lukner Stricklandi panuse esile toomist positiivseks märgiks. "On väga tore, et tabud hakkavad ära kaduma. Kolm andmepunkti ei pruugi anda olukorrast adekvaatset pilti, aga ma tahaks küll loota, et liigume sinna, kus teadmistel, oivalisusel ja loovusel pole parimas mõttes sugu," sõnas vanemteadur

Eelmisel aastal pälvisid Nobeli füüsikaauhinna Rainer Weiss, Barry C. Barish ja Kip S. Thorne. Auhinda üle andmisel toodi esile nende panust gravitatsioonilainete avastamiseks kasutatud LIGO detektori loomisse ja gravitatsioonilainete vaatlemise eest.

Lühiülevaate Nobeli füüsikaauhinna ajaloost saab allolevalt graafikult:

Teadlaste tsiteeritavuse põhjal Nobeli võitjaid ennustava ettevõtte Clarivate Analytics analüüsi põhjal võiks pälvida sel aastal füüsikaauhinna David Awschalom ja Arthur C. Gossard. Füüsikud nägid pooljuhtides Halli spinni efekti, millest võiks tõusta kasu näiteks kvantarvutites. Samas võiks ettevõtte sõnul preemia pälvida ka Sandra M. Faber galaktikate vanuse ja kauguse määramise eest. Clarivate Analytics tõi esile ka veel Juri Gogotsi, Rodney S. Ruoffi ja Patrice Simoni, kelle töö aitab paremini mõista, kuidas süsinikmaterjalid energiat talletavad.