2018諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：從科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的激光

2018-10-06 09:35:56

今年被授予諾獎(jiǎng)的發(fā)明徹底改變了激光物理學(xué)，讓極小的物體與極快的過程以全新的方式出現(xiàn)。不止是物理學(xué)，化學(xué)、生物學(xué)與醫(yī)學(xué)都因該發(fā)明而獲得了可用于基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用的精密儀器。

阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發(fā)明了光學(xué)鑷子，能用激光束夾起粒子、原子、分子。它還能夾起病毒、細(xì)菌及其他活細(xì)胞，并能讓它們在檢查和處理時(shí)不被損壞。阿什金的光學(xué)鑷子為觀察和控制生命的機(jī)器創(chuàng)造了全新的機(jī)會(huì)。

杰哈·莫羅（Gérard Mourou）與多娜·斯崔克蘭（Donna Strickland）為人類創(chuàng)造的最短、最強(qiáng)的激光脈沖打下了基礎(chǔ)。他們開發(fā)的技術(shù)開辟了新的研究領(lǐng)域，并帶來了廣泛的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。例如，每年有無數(shù)次的眼睛手術(shù)是由最鋒利的激光束完成的。

為了將粒子保持在光束方向上，阿什金又增加了一個(gè)高強(qiáng)度透鏡來聚焦激光。于是，這些粒子被吸向光強(qiáng)度最大的一點(diǎn)。一個(gè)光陷阱誕生了。后來人們稱它為光學(xué)鑷子。

阿什金造出的光阱

用光捕獲活細(xì)菌

在多年努力和屢次失敗后，光陷阱終于可以捕獲單個(gè)原子了。這期間曾有過許多困難，其一就是光鑷必須足夠有力才能捕獲原子；其二就是原子的熱振動(dòng)。所以必須找到一種方法，能夠減慢原子的運(yùn)動(dòng)并把它們局限在一個(gè)極小的區(qū)域——比句號還要小。到1986年，一切都準(zhǔn)備就緒了：光鑷搭配上其他的一些手段，就可以實(shí)現(xiàn)停下并俘獲原子的效果。

隨著原子減速發(fā)展成獨(dú)立研究領(lǐng)域，阿瑟·阿什金發(fā)現(xiàn)了光鑷的一種全新用途——用于研究生物系統(tǒng)。他的發(fā)現(xiàn)其實(shí)算得上是機(jī)遇巧合。他曾經(jīng)試著用光鑷捕獲一些更小的粒子，使用的樣品是小的花葉病毒。在他碰巧把樣品敞著放了一整夜之后，樣品上布滿了四處亂跑的大粒子。阿什金用顯微鏡觀察到，這些粒子其實(shí)是一些無法自由游動(dòng)的細(xì)菌——當(dāng)它們靠近激光束的時(shí)候，被光阱所捕獲了。不過阿什金的綠色激光能量太強(qiáng)，把細(xì)菌都?xì)⑺懒?。因此要想保持?xì)菌的活性，就得用能量弱一些的激光。使用紅外激光的話，細(xì)菌就不會(huì)受到損傷，并且還可以在光阱里繼續(xù)繁殖。

據(jù)此，阿什金的研究接下來集中在多種不同的細(xì)菌、病毒和其他活細(xì)胞中。他甚至證明，可以在不破壞細(xì)胞膜的情況下碰觸到細(xì)胞內(nèi)。阿什金以他的光學(xué)鑷子開啟了一整套全新的應(yīng)用領(lǐng)域。這個(gè)技術(shù)帶來的一項(xiàng)重要的突破是，能夠研究細(xì)胞內(nèi)的分子馬達(dá)的機(jī)械屬性；分子馬達(dá)在細(xì)胞里起到了至關(guān)重要的作用。第一個(gè)利用光鑷詳細(xì)描繪的馬達(dá)蛋白叫“驅(qū)動(dòng)蛋白”，研究者發(fā)現(xiàn)它會(huì)沿著細(xì)胞骨架的一部分——微管——一步一步地移動(dòng)。

分子馬達(dá)在光阱中前進(jìn)

斯崔克蘭和莫羅的新技術(shù)，啁啾（zhōu jiū）脈沖放大技術(shù)（CPA），既簡單又優(yōu)雅。取一段短激光脈沖，在時(shí)間上拉長，把它放大，再重新壓縮成短脈沖。當(dāng)脈沖拉長之后，峰值功率就會(huì)大幅下降，這樣就可以在不損壞放大器的前提下放大到更高的倍數(shù)。之后把脈沖重新壓縮，于是更多的光就被壓縮到了很小的空間中，脈沖的強(qiáng)度就隨之急劇上升。

啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）

世界上最短的脈沖