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2018诺贝尔物理学奖官方解读:用光制造的工具

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发表于 2018-10-2 20:22:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

  阿什金开发了一种光学陷阱,后来该技术被称为光学镊子 1 微小的透明圆球被激光照射后开始移动。它们的速度与阿什金的理论估算相符,表明确实是辐射压在推动着它们。 2 一个令人意想不到的效应是,辐射压力具有梯度,会促使圆球向光束中央位置移动,那里有着最高的光强度。这是因为光强度会向外侧逐渐减小,而推动小球的所有力的总和将其推向光束中心。 3 阿什金将激光束的方向朝上,使圆球浮起。此时辐射压抵消了重力。 4 激光束经由透镜实现聚焦。此时光线就可以用于捕获粒子,甚至操纵活着的细菌和细胞,成为一把光学镊子。
   北京时间10月2日消息,据国外媒体报道,今年的诺贝尔物理学奖授予了变革了激光物理学的发明。在一种新的光线下,我们可以发现极为微小的物体和极其快速的过程。不只是物理学,化学、生物学和医学都从先进的精密仪器中受益,无论是基础研究和实际应用。
  亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin)发明了光学镊子,能通过激光束“手指”抓取颗粒、原子和分子。光学镊子还能用于操纵病毒、细菌和其他活体细胞,并且在观察和操纵过程中不造成损伤。阿什金的光学镊子为观察和控制生命的机械过程创造了全新的契机。
  杰哈·莫罗(Gérard Mourou)和 多娜·斯崔克兰(Donna Strickland)为人类研制有史以来波长最短、能量最高的激光铺平了道路。他们所开创的技术开启了该领域科学研究的崭新纪元,并在工业与医药领域得到广泛应用。例如,每年都有数以百万计的眼科手术正是借助最锋利的激光束完成的。


  光学镊子绘制出了驱动蛋白沿着细胞骨架移动的过程 1 驱动蛋白分子连接到光学镊子操纵的一个小圆球上。 2 驱动蛋白沿着细胞骨架移动。它拉动了圆球,因此可以通过圆球测量其“行走”运动。 3 最终,驱动蛋白无法承受光学陷阱的力,圆球回到了光束中心。
  在光束中移动
  亚瑟·阿什金有一个梦想:将光束作为工作时的工具,并用它推动物体移动。在20世纪60年代中期推出的系列美剧《星际迷航》中,有一种光束可以在不触及物体——包括太空中的小行星——的情况下对其进行牵引。当然,这听起来就像纯粹的科幻概念。我们能感觉到阳光携带着能量,晒太阳会让我们感受到热,但来自阳光光束的压力太小,我们没有任何挤压感。但是,这种压力是否足以推动极其微小的颗粒和原子呢?
  在1960年第一台激光器发明之后,阿什金立即开始在纽约郊外的贝尔实验室中试验这台新设备。在激光中,光波会连续移动,而不是像平常的白光那样混杂了各种各样的颜色,并向各个方向传播。
  阿什金意识到,激光可以作为一种完美的工具,利用光束来移动微小粒子是可能的。他用激光照射微米级的透明小球,并很快就让这些小球动了起来。与此同时,阿什金惊讶地发现,这些小球被拉到了光束最为密集的中间位置。对此的解释是,无论一束激光有多么锐利,它的强度也会从中间向两侧减小。因此,激光施加于粒子上的辐射压也有差别,会迫使它们朝着光束中心的位置移动并稳定下来。
  为了保持粒子位于光束的方向上,阿什金增加了一个聚焦激光的强透镜。这些粒子因此被拉向光强度最高的位置。一个光学陷阱诞生了;后来,这种装置被称为光学镊子。
  光线捕获的活细菌
  经过多年的努力和多次挫折之后,科学家终于能用这个光学陷阱捕获单个原子。这一过程存在许多困难:一个是光学镊子需要更强的力以抓取原子,另一个问题是原子的热振动。有必要找到一种方法,使原子的运动减慢下来,并将它们放入一个比本句最后的句点还要小得多的区域内。一切问题都在1986年得到解决,光学镊子与其他方法相结合,成功静止并捕获了原子。
  在减慢原子速度本身成为一个新研究领域的同时,亚瑟·阿什金发现了光学镊子的一个全新用途——研究生物系统。一个契机的出现使他进入了这一领域。在尝试捕获更小粒子的过程中,阿什金使用了小型花叶病毒的样品。在刚好将样品暴露着放了一夜之后,里面已经充满了到处移动的大颗粒。在显微镜下,阿什金发现这些粒子其实是到处游动的细菌,而当它们靠近激光束时,会被困在光学陷阱当中。不过,阿什金的绿色激光束杀死了细菌,因此要让它们活下来,还需要强度较小的光束。在不可见的红外光下,细菌没有受到损伤,并且能够在光学陷阱中繁殖。
  由此,阿什金接下来的研究主要关注众多不同的细菌、病毒和活细胞。他甚至展示了在不破坏细胞膜的情况下,进入细胞内部的可能性。阿什金为光学镊子的新用途开辟了一整个世界。一个重要的突破是对分子马达——在细胞内部进行关键工作的大分子——机械性能的研究。利用光学镊子进行详细绘图的分子马达是一种驱动蛋白,它在微管构成的轨道上“行走”,而微管是细胞骨架的一部分。
  从科幻小说到实际应用
  在过去几年间,许多研究者在阿什金发明的基础上进行了拓展。目前,光学镊子推动了无数实践应用的开发,使在不触碰研究对象的情况下,利用光学镊子对其进行观察、翻转、剪切、推动和牵引成为可能。在许多实验室中,激光镊子成为了研究生物过程——诸如单个蛋白质、分子马达、DNA和细胞内部活动等——的标准设备。光学全息摄影是最新的开发成果之一,通过该技术,数千个光学镊子可以同时发挥作用,其用途包括将健康细胞与感染细胞分离,这在对抗疟疾等疾病的过程中具有广阔的应用潜力。
  超短高强度光束的新技术
  该技术的灵感来自一篇描述雷达及其无线电波(长波)的学术文章。然而,将这一概念转化为波长更短的光波十分困难,无论在理论上还是实践上。1985年12月,一篇突破性的论文发表,而这正是多娜·斯崔克兰的第一篇学术文章。她从加拿大搬到了美国的罗切斯特大学,在那里对激光物理学产生了兴趣,因为绿色和红色的光束将实验室装点成了一棵圣诞树,至少在她的导师杰哈·莫罗看来是这样的。现在,科学家已经实现了论文中提到的一项技术——将短激光脉冲的强度提高到前所未有的程度。
  激光的产生是通过光子的连锁反应,不断形成更多的光子。这些光子可以通过脉冲释放。在大约60年前激光发明之后,研究人员一直努力尝试制造出更高强度的脉冲。然而,到20世纪80年代中期,人们似乎到达了道路的终点。对于短脉冲而言,在不破坏放大材料的情况下,似乎已经不可能再增加激光的强度了。


  CPA技术对于激光技术具有创新意义,它使用一种非常复杂的方法,使非常强而短的脉冲释放成为可能,从而避免了破坏放大材料的风险。它不是直接放大光脉冲,首先及时拉伸,降低其峰值功率。之后脉冲被放大,当它被压缩时,更多的光线就收集在同一个位置——光脉冲变得非常强烈。
  斯崔克兰和莫罗的新技术被称为“啁啾脉冲放大”(chirped pulse amplification, CPA),是一种既简单又精巧的技术。他们将短激光脉冲的时间延长,放大它又压缩它。当激光脉冲的时间延长时,它的峰值功率大大降低,因此可以在不破坏放大器的情况下显著放大。接着,激光脉冲的时间压缩,意味着更多的光集中在很小的空间内,从而使脉冲强度极大增强。
  斯崔克兰和莫罗花了好几年时间将这一切成功地结合在一起。与往常一样,丰富的实践和概念细节带来了许多困难。例如,激光脉冲的延长需要用到一条新研制的2.5千米长光纤。但是,没有光线出来——光纤在某处破裂了。经过大量的努力,他们发现1.4千米的长度已经足够。一个重大的挑战是同步设备中的各个阶段,使光束的延长和压缩相对应。这个问题在1985年也得到解决,斯崔克兰和莫罗首次证明了他们的精巧设计在实践中也能奏效。
  斯崔克兰和莫罗发明的CPA技术变革了激光物理学,成为后来所有高强度激光器的标准,并且为在物理学、化学和医学中的应用开辟了全新的领域。现在,科学家在实验室中已经能制造出最短最强的激光脉冲。


  来自飞秒激光仪的短脉冲(图右)比从纳秒激光仪释放的数百万倍长的长脉冲(图左),对材料造成的危害更小,超短和超密度激光脉冲可用于眼部手术、数据存储和制造人体血管的医用支架。
  全世界最快的摄像机
  超短高强度脉冲具体有哪些用途呢?该技术早期曾用于微观摄影,在拍摄分子与原子时迅速照亮拍摄背景。这些过程速度极快,因此在很长一段时间里,科学家只能描述反应前和反应后的情况,无法描述反应过程。但有了飞秒级的激光脉冲(即1秒的1000万亿分之一),我们便可以观察到这些转瞬即逝的过程了。
  激光强度极高,足以改变物体性质,如可以将电子绝缘体转变为导体。超精准激光束还能在各类材料上以极高的精度进行切割或钻孔,尤其是在生物活质上。
  例如,激光可以用于打造更高效的数据存储,因为存储空间可以不仅限于材料表面,还可以深入存储介质内部、以微孔的形式存在。该技术还可用来制造外科手术支架(即能够扩张、加强血管的微米级金属圆柱体)、尿管和其它体内“通道”。
  该技术的应用领域不计其数,但目前尚未得到完全发掘。每一项进展都能帮助研究人员打开新世界的大门,基础研究和实际应用都随之不断改变。
  “阿秒”物理是近年来新诞生的研究领域之一。短于100阿秒(1阿秒=10^-18秒)的激光脉冲能够让我们看到神奇的电子世界。电子相当于化学反应中的“老黄牛”,所有物质中的光学及电子性质、以及化学键都与电子有关。如今有了阿秒激光技术,科学家不仅能观察电子,还能操控电子。


  光脉冲速度越快,可被观测到的运动就越快。几乎不可思议的短激光脉冲都接近于几飞秒,甚至比阿秒(attoseconds)等级快几千倍。这样的事件仅能进行猜测,被拍摄变化过程;原子核周围的电子移动现在可使用阿秒照相机进行观测。
  通往更加极端的光学之路
  对于这些全新的激光技术的许多应用已经呼之欲出——更快的电子设备,更高效的太阳能电池,更好的催化剂,更强大的加速器,新的能源,或者医药。因此毫不奇怪的,在激光物理领域存在着激烈的竞争。
  多娜·斯崔克兰现在继续在加拿大开展自己的研究,而杰哈·莫罗已经回到法国,正参与一个覆盖全欧洲的激光技术发展计划。他发起并领导了欧洲“极端光基础设备”(ELI)计划。该计划所涉及的三处分别位于捷克共和国,匈牙利和罗马尼亚境内的设施预计将在数年内完工。该计划产生的激光峰值强度将达到10拍瓦,这相当于100亿个电灯泡同时点亮的能级。


高强度激光脉冲的发展。CPA技术是高强度脉冲技术爆炸性发展的基础。
  这三处设施将聚焦于不同的研究领域,匈牙利设施将聚焦阿秒研究,罗马尼亚设施聚焦核物理学研究,而捷克共和国境内的设施将聚焦于高能粒子束研究。而在世界范围内,还有更多,甚至比这更加强大的装置也正在研制中,其中包括中国、日本、美国和俄罗斯的相关研究机构。
  已经有学者开始设想下一步的发展:在强度上再升级10倍,达到100拍瓦级别。对于未来激光技术的展望不会止步于此。难道能量达到泽瓦(100万拍瓦,10的21次方瓦)级别,脉冲时长短于千分之一阿秒(约合10的负21次方秒)的激光束就不能研制出来吗?
  新的地平线正在远方隐隐显现,从针对真空量子效应的研究,到用于治疗癌症的放射疗法。但是即便是现在,这些技术的结合已经可以让我们在微观世界里到处探寻,并时刻铭记诺贝尔奖创建者诺贝尔先生的遗志:为了全人类的福祉。(新浪科技)
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