物理学のノーベル賞はハイテクレーザーに贈られ、55年ぶりに女性に栄誉が与えられる

光は私たちが世界についての情報を収集する主な手段であり、光の操作におけるあらゆる進歩により、研究者は新たな方法で自然の新たな側面を見ることができるようになります。本日、生物学者と物理学者が極小かつ超高速のものを隠しているベールを剥ぐことを可能にした強力なレーザー技術の開発により、3 人の科学者がノーベル物理学賞を共同受賞しました。

この賞は、2人の影響力のあるレーザー機器の発明者を称えるものである。アメリカの物理学者アーサー・アシュキンは、集光した光線を使って物体を捕らえて保持する方法を開発した。フランスのジェラール・ムルーとカナダのドナ・ストリックランドは、標準的な材料では不可能なほどレーザー光線を集光し増幅する独創的な解決策を開発した。カナダのウォータールー大学准教授であるストリックランドは、1903年のマリー・キュリー、1963年のマリア・ゲッパート＝マイヤーに続き、ノーベル物理学賞を受賞した3人目の女性である。

「もちろん、女性物理学者を讃える必要があります。なぜなら、私たちは存在しているからです」と彼女はNPRに語った。「何と言っていいか分かりませんが、私はこうした女性の一人であることを光栄に思います」

アシュキン氏は、スタートレックのトラクタービーム装置の現実版を発明した。控えめに「光ピンセット」と呼ばれている。1960年代から70年代にかけてベル研究所で働いていたアシュキン氏は、光線はわずかでも物質を押せるという1600年代にまで遡る常識を実証した。「光にはそれほどの威力はありません」と、ニューヨーク大学で光トラップを研究する物理学者のデビッド・グリア氏は言う。「トラックを持ち上げることはできませんが、原子を動かすことは想像できます」

原子は目に見えにくいので、アシュキン氏は透明な微小ビーズから始めました。すぐに、粒子が「下流」に移動するだけでなく、ビームの中央のより強い領域に向かって漂っていることに気付きました。次の論理的なステップは、粒子をどれだけ速く移動できるかを確認することでした。そこで、レンズを設置してビームを一点に集中させました。近くの粒子がビームの中心に引き寄せられ、拡大された下流の力によって「光学砲のように」発射されるのではないかと想像したと、グリア氏は言います。

しかし、実際にはそうではありませんでした。粒子は中心点に飛んでいき、その場に閉じ込められて凍結したのです。ビームを前後に動かすことで、アシュキンはこれらの小さな粒子も動かすことができました。これが光ピンセットという名前がついた理由です。波が物体をレーザーの流れに逆らって上流に引っ張るなどとは誰も予想していませんでした。しかし、その理由がわかるまで長くはかかりませんでした。透明なビーズが下流に光を散乱させると、カヌーの漕ぎ手がボウリングのボールを船首に投げるのと同じように、ビーズは自然に後方に跳ね返りました。「1 世紀にわたる直感が覆されました」とグリアは言います。「それはずっとそこにあったもので、アートはそれを理解したのです。」

アシュキン氏はすぐにピンセットでビーズを採取する段階から、生きたバクテリアやウイルスを採取する段階に移行した。これは生物学者にとって非常に貴重なものとなった。なぜなら、ご存じのように、これほど小さな生物を採取する方法はそれほど多くないからだ。グリア氏によると、他の科学者もこのツールの価値をほぼ即座に認識し、数年のうちに世界中の研究者が光トラップを使用するようになったという。

今日、物理学者たちは、この技術の可能性を拡張し続けている。アシュキンのピンセットはレーザー 1 本につき 1 つの物体しか動かせなかったが、グリアの研究室は、コンピューター生成画像で 1 つのビームを拡大し、それを集中させて一度に数百の粒子を捕らえる方法を開発した。彼らは現在、NASA と提携してこの技術をスケールアップし、通過する彗星が地球の軌道上に都合よく堆積させた古代の氷晶や塵の粒子を捕らえようとしている。その一部は肉眼で見ることができる。「光のクッションの上で、目に見えるほど大きなものが浮かんでいると、実に不気味な感じがします」と彼は言う。

賞金の残り半分は、ストリックランド氏と、現在フランスのエコール・ポリテクニークに在籍するムル氏が分け合う。ムル氏は、レーザーを扱う実験者たちの長年の願い、つまりさらなるパワーの実現に応えた。1960年に最初のレーザーが発明されてから、物理学者たちは約10年間、着実により高い強度レベルに到達したが、ついに壁に突き当たった。

レーザーはまず発振器と呼ばれる装置を使って弱い光パルスを生成し、次に驚くべきことにそれを増幅器で増幅する。しかしある時点を超えると、増幅された光が強くなりすぎて、スピーカーを11まで上げた音波のように装置を破壊してしまう。このメルトダウンを避けるため、当時ロチェスター大学で一緒に研究していたムルーとストリックランドは賢い解決法を思いついた。それは、ビームを引き伸ばし（彼らは約1マイルの光ファイバーケーブルを使用した）、弱めた状態で増幅し、その後再び圧縮して超短く超強力な「パルス」を得るというものだった。問題を解決した後、彼らは1985年にその研究を発表し、今日でも減速の兆しを見せない、より高性能で高速で強力なレーザーパルスの開発競争を開始した。

「これは光学科学における最大の革命の一つだ」と、昨年記録破りの短レーザーパルスを実証したセントラルフロリダ大学の光物理学者、ゼンフー・チャン氏は言う。「これは新たな発見につながる発明だ」

チャープパルス増幅（CPA）として知られるこの想像を絶するほど短く強力な閃光は、複数の実験物理学の分野を立ち上げ、チャン氏が「極限科学」と呼ぶものへの扉を開いた。レーザーが作り出す強烈な熱と磁場により、研究者は異例の条件下で物質を研究し、プラズマを生成し、光速に近い速度で電子を放出することができる。より実用的な面では、十分な強度があれば、レーザーが当たった物質を沸騰させ、製造業者が金属を精密に切断するために使用する急速蒸発を生じさせることができる。医師はまた、この技術を使用して、矯正眼科手術で年間数百万人の視力を改善している。

CPA レーザーの超高速性は、科学的な画像撮影に高速現象のまったく新しい領域を開拓した。「何かを高速で見たいときは、さらに高速なものを使う必要があります」とチャン氏は言う。2017 年に彼が記録を破ったフラッシュは、CPA レーザーをスパークプラグのように使用し、持続時間はわずか 53 アト秒だった。(1 秒間に光は地球から月までほぼ到達できる。1 アト秒で光が通過できるのは原子 1 つか 2 つだけである。) この短いパルスにより、分子や電子の画像や動画を撮影できる。

ノーベル物理学賞は通常、基礎物理学の進歩に光を当てますが、過去の技術賞としては、無線送信機（1909年）、トランジスタ（1956年）、OGレーザー（1964年）、半導体（2000年）、LED（2014年）の発明者などが受賞しています。

2018 年の受賞により、ノーベル賞受賞技術の限定リストに新たな 1 つが加わったが、アシュキン、ムルー、ストリックランドが発明したツールを使用し、彼らの研究から生まれた光学分野で研究している何千人もの研究者にとって、この受賞はずっと前から期待されていたことだ。

「このニュースを長い間待っていました」とチャンさんは言う。「いつかはこうなるだろうと分かっていました。」

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