Сотрудничество на Нобелевском уровне
Новый лауреат Нобелевской премии по физике француз Жерар Муру долгие годы сотрудничает с исследователями Института прикладной физики РАН и ННГУ им. Н. И. Лобачевского. Деловое партнерство нижегородских ученых с известным физиком продолжится в рамках международного проекта XCELS
9 октября 2018 г. в ИПФ РАН для представителей СМИ состоялся День открытых дверей, включавший экскурсию по институту. Поводом для встречи стало присуждение Нобелевской премии по физике, для ИПФ РАН весьма приятное: один из трех ее лауреатов, француз Жерар Муру, пять лет ставил эксперименты вместе с нижегородскими коллегами. О том, как ученые ИПФ РАН и ННГУ работали вместе с лауреатом Нобелевской премии над совместным проектом, и о предстоящем сотрудничестве с Муру над созданием самого мощного в мире лазера XCELS журналистам рассказали президент РАН Александр Сергеев, работающий в институте многие годы, а в 2015–2017 годах бывший его директором, и его коллеги. Новые имена Лауреаты самой престижной научной премии мира в области физики стали известны 2 октября из сообщения Нобелевского комитета по физике Шведской королевской академии наук. Награда присуждена ученым Артуру Эшкину из США, Жерару Муру из Франции и Донне Стрикленд из Канады за их «революционные открытия в области лазерной физики». «Сверхмалые объекты и сверхбыстрые процессы предстали благодаря этим открытиям в новом свете. Высокоточные инструменты открывают неисследованные наукой области и множество возможностей для применения в медицине и промышленности», — отметил комитет. Открытие Артура Эшкина позволило ученому осуществить мечту научной фантастики: использовать радиационное давление света для передвижения физических объектов. Жерар Муру и Донна Стрикленд получили премию за изобретение новой техники получения сверхмощных лазерных импульсов — усиление чирпированных импульсов (chirped pulse amplification), которая стала основой для получения импульсов фемтосекундной длительности. Применение этой техники позволило значительно увеличить интенсивность генерируемых лазерных импульсов, на ее основе работают все мощные лазерные системы в мире. Нобелевская премия по физике вручается с 1901 г. Она является одной из пяти премий, учрежденных самим Альфедом Нобелем за выдающиеся достижения в химии, физике, литературе, в физиологии или медицине и за вклад в установление мира. На сегодняшний день премии по физике удостоились 114 человек. Нобелевская премия вручена 12 физикам российского происхождения. Все они получили премии за открытия, так или иначе относящиеся к физике конденсированных сред (в том числе полупроводники, сверхтекучесть, сверхпроводимость и лазеры). О лауреатах-2018 Артур Эшкин, самый возрастной лауреат премии (96 лет), родился в 1922 г. в Нью-Йорке. Он работал в исследовательских компаниях Bell Labs и Lucent Technologies и в 1986 г. изобрел так называемый оптический пинцет, которым можно захватывать микроскопические объекты, в частности, вирусы и другие клетки, используя «пальцы» лазерных лучей. Эшкин также известен исследованиями в областях фоторефракции, генерации второй оптической гармоники и волоконной нелинейной оптики. Жерар Муру родился 22 июня 1944 г. в Альбервилле, Франция. В 1967 г. он окончил Университет Гренобля по направлению «физика», работал в Политехнической школе. В 1970 г. поступил в докторантуру Парижского университета, некоторое время работал в Канаде в Университете Лаваля. В 1973 г. получил степень доктора философии по физике. Год работал в Калифорнийском университете. В 1977 г. Муру получил должность старшего научного сотрудника в Институте оптики Рочестерского университета, США, в 1988 г. стал профессором Мичиганского университета, где основал и долгое время руководил Центром сверхбыстрой оптики. В 2004 г. Жерар Муру вернулся во Францию и приступил к работе директором лаборатории прикладной оптики в Высшей национальной школе передовых технологий. В 2010 г. по программе грантов Правительства РФ для господдержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих мировых ученых в российских вузах, Жерар Муру был приглашен на работу в Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского. На средства выигранного мегагранта в ННГУ была организована лаборатория экстремальных световых полей, но основные эксперименты были проведены в ИПФ РАН на созданной там еще в 2006 г. сверхмощной лазерной установке PEARL. Главными направлениями научной деятельности Жерара Муру являются физика лазеров и нелинейная оптика. Его основные работы связаны с разработкой лазерных систем, генерирующих сверхкороткие импульсы. В 1994 г. Муру экспериментально продемонстрировал эффект самоканалирования лазерного излучения в атмосфере, основанный на взаимной компенсации дифракционной расходимости пучка и его самофокусировки вследствие ионизации воздуха. Жерар Муру является координатором панъевропейского проекта Extreme Light Infrastructure по созданию лазерной системы экзаваттного уровня мощности. Член Национальной инженерной академии США, Оптического общества Америки, Американского физического общества, Института инженеров электротехники и электроники. Иностранный член Российской академии наук с 2008 г. Донна Стрикленд стала третьей женщиной, удостоенной Нобелевской премии в области физики (до нее лауреатами становились Мария Кюри в 1903 г. и Мария Гепперт-Майер в 1963 г.). Стрикленд родилась в 1959 г. в Гуэлфе, Канада. Является профессором университета Ватерлоо в Онтарио. В 1981 г. получила степень бакалавра в области инженерной физики в Университете Макмастера в городе Гамильтон, Онтарио, а в 1989 г. — степень доктора наук по физике в Университете Рочестера, штат Нью-Йорк. Стриклэнд специализируется на исследованиях взаимодействия излучения высокоинтенсивных лазеров с веществом, нелинейной оптике и системах с короткоимпульсным интенсивным лазерным излучением. В 1985 г. вместе с Муру она предложила новую технику получению сверхмощных лазерных импульсов — у???????силение чирпированных импульсов. В телефонном разговоре с Нобелевским комитетом Стрикленд призналась, что ошеломлена новостью о присуждении ей Нобелевской премии. Простейшее решение, которое привело к великим результатам С момента изобретения лазера одним из направлений развития лазерной техники стало создание излучения высокой мощности. Стандартный подход заключался в усилении лазерных импульсов с помощью специальных сред, но при достижении определенного уровня интенсивности излучения сама среда могла быть повреждена таким интенсивным светом. Иными словами, проблема лазеров была в ограниченности их излучения. Задача была сформулирована следующим образом — как получить мощное излучение, не выводящее из строя сам прибор? В 1985 г. Жерар Муру предложил следующее решение: импульс, который имеет достаточно большую мощность, растянуть во времени, чтобы его пиковая мощность уменьшилась, усилить растянутый импульс до больших значений энергии, после чего снова его сжать до исходной ультракороткой длительности. Вскоре физик вместе со своей сотрудницей Донной Стрикленд реализовал свою идею экспериментально: вместо простого усиления импульс сначала раскладывался на спектральные компоненты, разнесенные во времени, после чего они усиливались по отдельности, а потом опять собирались в один импульс. При таком подходе в каждый момент времени усиливается только часть импульса, а не весь импульс целиком, что позволяет достичь гораздо более высокой пиковой интенсивности света. Научная работа Муру и Стрикленд по генерации ультракоротких импульсов была опубликована еще в 1985 г. и стала частью кандидатской диссертации Стрикленд, и через 28 лет она разделила со своим учителем Нобелевскую премию. «Простейшее решение, которое привело к великим результатам», — пояснил журналистам значение изобретения Жерара Муру Александр Сергеев. Результатом явилось то, что сейчас в мире действуют сотни лабораторий, в которых работают лазеры, основанные на этой идее, и одна из них — лаборатория ИПФ РАН в Нижнем Новгороде, которую Александр Сергеев создавал вместе с нобелевским лауреатом. По словам заместителя директора ИПФ РАН, руководителя Отделения нелинейной динамики и оптики, члена-корреспондента РАН Ефима Хазанова, Жерар Муру сумел решить то, что долгое время считалось нерешаемым: многократно усилить лазерный импульс. Практические результаты этого открытия используются, в частности, в металлообработке и фундаментальных исследованиях. Познакомившись еще в 2001 г. на научной конференции, Муру и Хазанов выработали с тех пор массу новых идей, провели множество экспериментов и опубликовали десяток научных статей на разные темы. В ИПФ РАН и ННГУ Сотрудничество Жерара Муру с нижегородскими учеными началось в 2006 г., когда в ИПФ РАН под руководством Александра Сергеева, тогда заместителя директора, была запущен петаваттный лазер PEARL (полное название PEtawatt pARametric Laser, то есть петаваттный параметрический лазер), на тот момент самый мощный в мире. В основу установки был положен принцип растяжения и сжатия лазерного импульса — то есть одно из «революционных открытий в области лазерной физики», за которое Жерару Муру и присуждена Нобелевская премия. А в 2010 г. профессор Жерар Муру совместно с нижегородскими физиками победил в конкурсе научных мегагрантов, организованном правительством России для поддержки своих исследователей и укрепления международных связей на ключевых научных направлениях. Кандидатура Жерара Муру на должность руководителя лаборатории экстремальных световых полей радиофизического факультета Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского возникла не случайно. «С Муру был хорошо знаком Александр Сергеев, Муру плотно сотрудничал с ИПФ РАН, я сам встречался с Муру, когда некоторое время работал в Японии, и решение пригласить его на роль руководителя было совместным. В результате мы создали в университете очень сильную лабораторию, которая стала, по сути, нашим флагманским лазерным комплексом, и эта тематика развивается до сих пор. К моменту получения мегагранта в ИПФ РАН уже был построен мощный субпетаваттный лазер на принципах, открытых Муру и Стрикленд, и французский профессор как приглашенный ученый в течение пяти лет руководил мегагрантом в университете, работая здесь по несколько месяцев в году. Так на средства российского мегагранта в 2010–2015 гг. был реализован совместный проект «Экстремальные световые поля и их приложения», — рассказал заведующий кафедрой общей физики ННГУ им. Н. И. Лобачевского, профессор Михаил Бакунов. «Мы втащим Вселенную в нашу лабораторию» В тот период, когда Жерар Муру работал в ННГУ, была сформирована заявка Института прикладной физики РАН по созданию Международного центра экстремального света (XCELS). В основу были положены концепция уже действующего лазера PEARL и результаты, которые удалось на нем получить. В 2011 г. заявка была одобрена комиссией под руководством премьер-министра Владимира Путина как один из шести проектов класса мегасайенс. Напомним, что из шести одобренных российских проектов мегасайенс реализуются пока только два — в????????????? ???????? ????????????????? ??????? ??? ? ?????? ???????ысокопоточный пучковый исследовательский реактор ПИК в городе Гатчина Ленинградской области и ускорительный комплекс коллайдера тяжелых ионов NICA на территории Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В основе концепции будущей установки ИПФ РАН лежат как идеи Жерара Муру, так и нижегородских физиков. «Самая мощная в мире лазерная установка XCELS в 200 ПВт будет состоять из 12 лазерных каналов, каждый из которых построен по архитектуре лазера PEARL. Очень важным компонентом всех лазерных систем являются кристаллы, выращиваемые здесь. Таких кристаллов для этой установки, пожалуй, мы не можем приобрести больше нигде в мире», — подчеркнул Александр Сергеев. По мнению президента РАН, лазерная установка в мегапроекте XCELS может быть построена за семь-восемь лет, а присуждение Нобелевской премии по физике 2018 г. Жерару Муру, который работал в Институте прикладной физики РАН, существенным образом поможет продвижению этого масштабного научного проекта. Именно Жерар Муру придумал название проекта — XCELS (eXawatt Center for Extreme Light Studies), хорошо звучащее и на английском языке. Жерар Муру является в этом проекте председателем международного консультативного совета и, таким образом, он будет участвовать в разработке экспериментов для суперлазера в Нижнем. На Дне открытых дверей Александр Сергеев обратил внимание журналистов на перспективы подобных разработок: «Суперлазер XCELS мощностью в 200 ПВт приведет нас в область совсем других физических параметров. Мы попадем в другой мир, который еще никто никогда не видел. Это касается и движения частиц, и их взаимодействия друг с другом. В этом мире будут одновременно присутствовать и мощное лазерное излучение, которое ускоряет частицы, и мощное гамма-излучение, которое частицы производят, а также рождается вещество и антивещество при взрыве в вакууме. Таким образом, мы втащим Вселенную в нашу лабораторию». Сейчас эксперименты, направленные поиск дальнейших путей повышения мощности лазерного излучения, в лазерном отделении ИПФ РАН проводятся Сергеем Мироновым, российским учеником Жерара Муру. Сергей Миронов познакомился с французским физиком 10 лет назад на конференции, организованной ИПФ РАН. С тех пор они не раз работали вместе, решали задачу дальнейшего увеличения мощности лазерных импульсов. Учителем и учеником опубликовано несколько научных статей, по идеям которых проводились эксперименты в Канаде, Румынии и во Франции. Но тема лазеров в Институте прикладной физики не исчерпывается исследованиями лаборатории, где в 2010–2015 гг. работал Муру. Важным направлением исследований в ИПФ РАН, связанным с развитием лазеров, является биофотоника, то есть использование лазеров различного диапазона для получения информации о живых системах. Таким образом с помощью современных лазеров и методов диагностики возможно получение уникальной информации о свойствах биотканей на различной глубине. Сейчас, заверил Александр Сергеев, наступило время неинвазивной оптической диагностики, неинвазивной оптической биопсии, то есть получения информации о структурах внутри биотканей с помощью лазерного излучения. С надеждой на новые Нобелевки Жерар Муру не боится парадоксальных идей, кажущихся нереализуемыми, отметил Ефим Хазанов. Ученый никогда не отмахивается от критики, пытается найти лазейку, чтобы реализовать даже самую фантастическую идею на практике, и возможно, именно эта черта привела французского физика к успеху. В последнее время Жерар Муру занимается проблемой уничтожения космического мусора. Задача заключается в том, чтобы с помощью коротких лазерных импульсов отклонять 5–10-сантиметровые частички с их орбиты по направлению к плотным слоям атмосферы, чтобы они там просто сгорали. Активную жизненную позицию, интерес к науке и коммуникабельность — такие черты нобелевского лауреата выделяют все сотрудники ИПФ РАН, работавшие вместе с Жераром Муру. «Любопытно, что Жерар Муру первым внес предложение изучать предметы искусства с помощью терагерцового излучения. Терагерцовое излучение обладает способностью проникать сквозь непрозрачные предметы, если они неметаллические и не влажные, например, внутрь дерева или штукатурки. «Один из аспирантов ННГУ даже ездил в Париж и там вместе с Жераром Муру и его коллегами просвечивал древние фрески в Лувре, обнаружив при этом еще более древние изображения времен римской империи. А в Нижнем Новгороде мы вместе с Ж. Муру и его аспиранткой Бьянкой Джексон из США исследовали терагерцами внутреннюю структуру иконы начала XIX века, чтобы по просьбе искусствоведов определить стратегию реставрации этой работы. На этот счет мы с Муру впоследствии опубликовали статью в научном журнале. В ННГУ за Жераром Муру закреплен его кабинет, и я иногда разрешаю желающим сфотографироваться за его рабочим столом. Считается, что тот, кто посидел на его кресле, в будущем тоже может рассчитывать на Нобелевскую премию», — прокомментировал Михаил Бакунов. Кстати, физики ИПФ РАН уже второй год подряд так или иначе причастны к открытиям, за которые присуждается Нобелевская премия. В 2017 г. она была вручена трем американским ученым за экспериментальное обнаружение гравитационных волн. Небольшой, но важной частью установки для детектирования гравитационных стал уникальный изолятор Фабри-Перо с рекордными параметрами, разработанный и созданный в ИПФ РАН.
