Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2018

Onderwerp: Licht, Materiaalonderzoek, Optica (licht en lenzen) (havo), Trilling en golf

Begrippen: Foton

Een bijzondere groep van drie onderzoekers wint dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor onderzoek dat heeft geleid tot twee zeer praktisch toepasbare gereedschappen die gebruikmaken van laserlicht. Het zijn de uitvinders van de optische pincet en de opstelling die korte en krachtige laserpulsen produceert.  

Winnaars Nobelprijs voor de Natuurkunde 2018

V.l.n.r.: Arthur Ashkin, Gérard Mourou en Donna Strickland. Illustratie: Niklas Elmehed. © Nobel Media.

De Amerikaan Arthur Ashkin, uitvinder van de optische pincet, is dit jaar één van de drie prijswinnaars. Met zijn 96 jaar is hij de oudste persoon die ooit de Nobelprijs heeft ontvangen. Hij deelt de prijs met de Fransman Gérard Mourou en de Canadese Donna Strickland, die een techniek ontwikkeld hebben om super korte en krachtige laserpulsen te produceren. Ook de toekenning aan Donna Strickland is bijzonder, omdat zij pas de derde vrouw in de geschiedenis is die de Nobelprijs voor de Natuurkunde in ontvangst neemt. Haar voorgangers waren Maria Goeppert Mayer die in 1963 de Nobelprijs ontving en Marie Curie die als eerste vrouw in 1903, kort na de eerste uitreiking in 1901, de Nobelprijs kreeg. Bijzonder detail: Donna Strickland is universitair docent, geen hoogleraar zoals de andere twee winnaars.

Kleine objecten verplaatsen

De optische pincet, waar Ashkin al in 1987 voor het eerst over publiceerde, heeft veel toepassingen in verschillende vakgebieden. De biologie, geneeskunde, scheikunde en hoge energiefysica maken al langer dankbaar gebruik van de pincet. Arthur Ashkin heeft dan ook lang moeten wachten op zijn Nobelprijs. Al dertig jaar geleden bedacht hij dat het mogelijk moest zijn om met laserlicht zeer kleine objecten in beweging te brengen. Hij probeerde het eerst met kleine latex bolletjes van een micrometer (een duizendste van een millimeter). Toen dit lukte, heeft hij de techniek verder ontwikkeld, zodat deze ook werkte voor nog kleinere deeltjes. Nu is het mogelijk om met de optische pincet microscopisch kleine objecten vast te houden en te verplaatsen zonder dat deze beschadigen.

Focusseren laserbundel

Maar hoe werkt de optische pincet eigenlijk? De pincet bestaat uit een opstelling met een laser erin. Door de laserbundel te focusseren in één punt, ontstaat een punt met een zeer hoge lichtintensiteit. In dit punt kun je dan een deeltje vangen. Door het focuspunt te verschuiven, kun je het gevangen deeltje dan verplaatsen.

In een laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) bevindt zich een materiaal of gasmengel, dit noem je het lasermedium. Door licht hierop te schijnen, raken de atomen van dit materiaal in een aangeslagen toestand. Wanneer deze atomen geraakt worden door een foton valt het atoom terug en gaan twee fotonen verder. Door deze versterking ontstaat een bundel fotonen met een bepaalde golflengte, een laserbundel. De golflengte van de laserbundel heeft niet precies één golflengte, maar kan een gebied bestrijken met een golflengteverschil van enkele nanometers tot minder dan een nanometer.

Pingpongballetje

Het vangen van een deeltje in een laserbundel zou je kunnen vergelijken met het vasthouden van een pingpongballetje in een luchtstroom, bijvoorbeeld in de luchtstraal uit een föhn. Als je een föhn naar boven richt en er een pingpongballetje in houdt, blijft het balletje in de luchtstroom gevangen zitten. Uit de stromingsleer weten we dat de lucht in het centrum van de luchtstroom sneller stroomt dan aan de randen en dat er zo een soort tunnel van relatief lage druk ontstaat. Hierin blijft het pingpongballetje dan hangen. Iets vergelijkbaars gebeurt als je een laserstraal kan maken waarbij de lichtintensiteit in het centrum van de bundel hoger is dan aan de randen. En dat is nu net wat Ashkin heeft gedaan met zijn optische pincet.

Veel toepassingen

In de fysica, chemie en biofysica maken ze dankbaar gebruik van de optische pincet als gereedschap voor allerlei onderzoeken. Dit kan onderzoek zijn aan atomen, maar ook aan moleculen, bijvoorbeeld eiwit- en DNA-moleculen. Ook gebruiken onderzoekers de pincet om bacteriën en virussen te bestuderen. Om de bacteriën en virussen niet te beschadigen, is het trouwens wel belangrijk dat de optische pincet gebruikmaakt van een geschikte golflengte, waarbij de bacteriën en virussen niet kapotgaan.

Krachtige laserpulsen

Ook voor Gérard Mourou en Donna Strickland heeft het lang geduurd voordat zij de Nobelprijs voor hun uitvinding in ontvangst konden nemen. Ook zij waren in de tachtiger-jaren al bezig met de ontwikkeling van de krachtige, kortdurende laserpulsen. In de ontwikkeling van de lasers liepen onderzoekers in die tijd tegen een grens aan: het leek niet mogelijk om nog krachtigere lasers te maken. Als ze probeerden de intensiteit van de laserbundel nog groter te maken, ging het lasermedium kapot. Het waren Mourou en Strickland die een techniek ontwikkelden waarmee ze wel laserpulsen konden maken die korter en intenser waren. Deze techniek heet ook wel: Chirped Pulse Amplification (CPA).

Bijzondere techniek

Het bijzondere van de techniek die Mourou en Strickland ontwikkelden is dat ze de verschillende kleuren waaruit een laserpuls was opgebouwd (golflengtes die binnen de bandbreedte vallen van de laserpuls) eerst in de tijd uit elkaar trokken. De afzonderlijke golflengten versterkten ze om vervolgens alles weer samen te persen tot één puls. Door het op deze manier aan te pakken, ging het lasermedium niet kapot en waren ze in staat een zeer krachtige, korte laserpuls te maken. Een laserpuls die minder dan femtoseconden (biljartste van een seconde) kort is.

Tijdschaal van seconde tot attoseconde

Gereedschap in de chirurgie en industrie

Bij chirurgische ingrepen en oogoperaties is de laser die korte krachtige laserpulsen maakt niet meer weg te denken. Maar ook in de industrie gebruiken ze deze techniek graag, omdat je er heel precies gaatjes mee kunt boren in allerlei materialen. Met de laser raak je alleen de plek waar je de laser op richt, de directe omgeving beschadigt niet en dat is precies wat je wilt.

Onderzoek naar atomen en moleculen

Ook in het fundamentele natuurkundig onderzoek is de CPA-techniek handig. Om het gedrag van atomen en moleculen te bekijken die heel snel bewegen, wil je over een zo kort mogelijke tijd een beeld krijgen van wat er gebeurt. Ook hiervoor zijn de korte, intense laserpulsen handig. Vergelijk het met een sporter die je fotografeert: alleen door heel snel (met een korte sluitertijd) een foto te maken van de sprinter, krijg je een scherp beeld van de hardloper.

Alsnog de Nobelprijs

Dat de Nobelprijs niet alleen uitgereikt wordt voor onderzoek dat recent is afgerond bewijzen Ashkin, Mourou en Strickland wel. Hoewel hun onderzoek al weer dertig jaar geleden begon, heeft hun onderzoek geleid tot het ontwikkelen van praktische optische gereedschappen waar het onderzoek, de industrie en de medische wereld nu nog dagelijks gebruik van maken. Een welverdiende Nobelprijs dus.