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2018諾貝爾物理學獎:從科幻照進現實的雷射 | 直擊諾獎

10月
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2018

2018年10月03日00時 今日科學 果殼

果殼

今年被授予諾獎的發明徹底改變了雷射物理學,讓極小的物體與極快的過程以全新的方式出現。不止是物理學,化學、生物學與醫學都因該發明而獲得了可用於基礎研究和實際應用的精密儀器。

阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)發明了光學鑷子,能用雷射束夾起粒子、原子、分子。它還能夾起病毒、細菌及其他活細胞,並能讓它們在檢查和處理時不被損壞。阿什金的光學鑷子為觀察和控制生命的機器創造了全新的機會。

傑哈·莫羅(Gérard Mourou)與多娜·斯崔克蘭(Donna Strickland)為人類創造的最短、最強的雷射脈衝打下了基礎。他們開發的技術開闢了新的研究領域,並帶來了廣泛的工業和醫療應用。例如,每年有無數次的眼睛手術是由最鋒利的雷射束完成的。

旅行於光線之中

阿瑟·阿什金有一個夢想:如果光束可以用來幹活、移動物體,那有多好。20世紀60年代開播的《星際迷航》系列中,牽引光束可以用來取回物體,甚至是太空中的小行星,而無需物理接觸。當然,這聽起來就像是純粹科幻。我們可以感受到陽光是攜帶能量的——在陽光下我們會感到熱——只是光束的壓力非常小,連一絲推力都感覺不到。但它的力量是否足以推動極小的粒子和原子呢?

圖 |《星際迷航》

1960年第一台雷射器發明後,阿什金立即開始用這個新機器在紐約城外的貝爾實驗室進行實驗。在雷射中,光波相干地向前傳播;而在普通的白光中,光束混合了彩虹的所有顏色,並在每個方向上散射。

阿什金意識到,雷射是用光束移動微觀粒子的理想工具。他照亮微米尺寸的透明球體,果然,立即就能讓這些小球移動。同時令阿什金驚訝的是,這些球體被吸到了光束中間——那裡光強度最大。為什麼呢?不管一束雷射多麼細銳,它的強度總是會由中心向邊緣逐漸減弱。因此,雷射給粒子的輻射壓也會發生變化,將粒子推向光束中間,並把它們維持在中心位置。

為了將粒子保持在光束方向上,阿什金又增加了一個高強度透鏡來聚焦雷射。於是,這些粒子被吸向光強度最大的一點。一個光陷阱誕生了。後來人們稱它為光學鑷子。

阿什金造出的光阱

用光捕獲活細菌

在多年努力和屢次失敗後,光陷阱終於可以捕獲單個原子了。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。所以必須找到一種方法,能夠減慢原子的運動並把它們局限在一個極小的區域——比句號還要小。到1986年,一切都準備就緒了:光鑷搭配上其他的一些手段,就可以實現停下並俘獲原子的效果。

隨著原子減速發展成獨立研究領域,阿瑟·阿什金髮現了光鑷的一種全新用途——用於研究生物系統。他的發現其實算得上是機遇巧合。他曾經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後,樣品上布滿了四處亂跑的大粒子。阿什金用顯微鏡觀察到,這些粒子其實是一些無法自由遊動的細菌——當它們靠近雷射束的時候,被光阱所捕獲了。不過阿什金的綠色雷射能量太強,把細菌都殺死了。因此要想保持細菌的活性,就得用能量弱一些的雷射。使用紅外雷射的話,細菌就不會受到損傷,並且還可以在光阱里繼續繁殖。

據此,阿什金的研究接下來集中在多種不同的細菌、病毒和其他活細胞中。他甚至證明,可以在不破壞細胞膜的情況下碰觸到細胞內。阿什金以他的光學鑷子開啟了一整套全新的應用領域。這個技術帶來的一項重要的突破是,能夠研究細胞內的分子馬達的機械屬性;分子馬達在細胞里起到了至關重要的作用。第一個利用光鑷詳細描繪的馬達蛋白叫「驅動蛋白」,研究者發現它會沿著細胞骨架的一部分——微管——一步一步地移動。

分子馬達在光阱中前進

從科幻到實際應用

過去幾年裡,許多其他研究者受到阿什金的啟發,使用了他的方法並把它進一步完善。如今,光學鑷子推動的應用不計其數,它們能讓研究人員不接觸到研究對象,就觀測、翻轉、切割和推拉實驗物體。在許多實驗室中,光學鑷子因此成為標準設備,用來研究生物過程,如單個蛋白、分子馬達、DNA或細胞內部的運作。光學全息術便是最近的進展之一,這種技術允許上千鑷子同時工作,例如從感染細胞中分離健康的血細胞,而這可以廣泛應用於對抗瘧疾的研究中。

阿什金始終驚嘆於他的工具取得的進展。另外兩位獲獎者的發明——超短和超強的雷射脈衝,也是曾經的未來夢想成為了現實。

超短高強度光束的新技術

這項技術的靈感來自於一篇科普,文章里描述了雷達和它的長無線電波。不過,不論是從理論還是實際操作上,要將這個想法轉移到更短的光波上都不容易。1985年12月,多娜·斯崔克蘭發表了自己的第一篇科學論文,在其中描述了這個突破性的概念。當時她從加拿大搬到了美國羅切斯特大學,在這裡她開始對雷射物理感興趣;這不僅是因為那些將實驗室點亮得如同聖誕樹一般的綠色和紅色光束,也是因為她的導師傑哈•莫羅的未來展望。這些展望里有一項已經實現了——把短雷射脈衝放大到史無前例的水平。

多娜·斯崔克蘭接到獲獎電話 | Doug Dykaar

雷射是通過一種鏈式反應創造出來的——這個過程中,光子生成了更多的光子。它們能以脈衝的形式發射出來。自從約60年前雷射被發明開始,研究者們就試圖創造出更強的脈衝。然而,到了80年代中期,這條道路似乎走到了盡頭。對於短脈衝而言,再增加光強,就會把放大材料給燒毀了。

斯崔克蘭和莫羅的新技術,啁啾(zhōu

jiū)脈衝放大技術(CPA),既簡單又優雅。取一段短雷射脈衝,在時間上拉長,把它放大,再重新壓縮成短脈衝。當脈衝拉長之後,峰值功率就會大幅下降,這樣就可以在不損壞放大器的前提下放大到更高的倍數。之後把脈衝重新壓縮,於是更多的光就被壓縮到了很小的空間中,脈衝的強度就隨之急劇上升。

當將脈衝變到音頻時,會發出一種聲音,聽起來像鳥叫的啁啾聲,故名「啁啾」。想知道它聽起來是什麼樣子的?這是LIGO接受到的引力波信號,也有啁啾信號的特點。大家可以感受一下 | ligo.org

斯崔克蘭和莫羅花了好幾年的時間才將各個步驟成功組合起來。和大多數項目一樣,實踐和概念上的大量細節給研究帶來了很多困難。例如,他們用新到手的一根2.5千米的光纖延展了脈衝,但是另一端卻沒有光出來——光纖在中間哪裡斷掉了。他們費了很大力氣,最終只好勉強使用1.4千米的光纖。項目中遇到的一個主要的難點是保證各步驟的設備間步調一致:延展器和壓縮器必須同步。這一難點最終也解決了。1985年,斯崔克蘭和莫羅首次證明了他們兩人優雅的理論也能在實踐中生效。

啁啾脈衝放大技術(CPA)

斯崔克蘭和莫羅發明的CPA技術掀起了雷射物理學界的革命,成為了之後所有高強度雷射器的標準技術,並開啟了物理、化學和醫學中新領域和新應用的大門。如今,人們可以在實驗室里就造出有史以來最短、最強的雷射脈衝。

世界上最快的攝影機

如何應用這些超短的強脈衝?一個早期應用領域是,給發生在分子和原子間的事情進行快速照相。在瞬息萬變的微觀世界裡,事情發生得如此之快,以至於很長一段時間裡人們只能描述事件之前和之後的場景。但運用短至飛秒級別——也就是十億分之一秒長的脈衝,曾經仿佛瞬間發生的事情也能看見了。

最快的照相機 | Lund University

雷射的極高強度也使其成為改變物質性質的工具:絕緣體會轉變成導體;而極其鋒利的雷射束使在不同材料上極其精細地切割或鑽孔成為可能——甚至是在活的生物里。

比如,雷射可被用作更高效的數據儲存,這樣數據不僅存儲在材料表面,還可以存儲在材料內部深挖的小孔里。這種技術也被用來生產手術支架,這些支架是只有微米尺度的金屬圓柱體,可以用來對血管、尿道和身體其他通路進行擴張和加固。

還有數不清的使用領域還未被完全探索。每一次技術進步都使研究者得以深入探索新世界,改變著基礎研究和實際應用。

脈衝越快,就能觀察到越快的瞬間

近幾年新出現的研究領域之一是阿托秒物理。一阿托秒是一秒的十億分之一的十億分之一;短於一百阿托秒的雷射脈衝揭示了電子的神奇世界。電子是化學的主力;它們負責所有物質的光學和電學屬性,還負責化學鍵間的相互作用。現在它們不但可以被觀察到,還能被控制。

邁向更激烈的光

這些新的雷射技術將會很快應用於更多場合:更快的電子元件,更高效的太陽能電池,更好的催化劑,更加強有力的粒子加速器,新能源,還有定製藥品。難怪雷射物理是如此充滿競爭的領域。

多娜·斯崔克蘭目前在加拿大繼續她的研究工作,傑哈·莫羅回到法國參與泛歐雷射計劃與其他項目。他發起並領導了極限光基礎設施(ELI)的早期開發。未來幾年內,捷克共和國、匈牙利和羅馬尼亞將建成三處場地。設計峰值為10拍瓦(10^16瓦),相當於100萬億個燈泡同時在極短時間發出閃光。

圖 | extreme-light-infrastructure.eu

這幾個不同的地方將會專注於不同的領域——匈牙利會專注於阿托秒,羅馬尼亞是核物理,捷克則是高能粒子束。中國、日本、美國和俄羅斯正在籌劃更新更強大的設施。

人們已經在設想下一步的進展:功率會提高10倍,達到100拍瓦。雷射技術的未來發展不會止步於此:為什麼不會是澤瓦(10^21瓦)的功率,或者脈衝降到仄秒(微小到近乎不可思議的時間片段——10^-21

秒)呢?新的疆域正在不斷被開拓——從真空中的量子物理學研究到用來切除人體內癌細胞的強質子束產品。然而,即便是現在,這些重大的發明已經可以讓我們可以在微觀世界細緻探索了,這也正是阿爾弗雷德•諾貝爾的精神所在——為全人類做出重大貢獻。

一個AI

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