九旬美国物理学家阿瑟·阿什金获得年诺贝尔物理学奖,如何理解他的研究成果「光镊」技术?

正好曾经关注过这方面的资讯,还有点印象,试着回答下,但愿能达到题主满意。


九旬美国物理学家阿瑟·阿什金获得年诺贝尔物理学奖,如何理解他的研究成果「光镊」技术?

“光学捕获”之父——阿瑟·阿什金

在介绍阿瑟·阿什金的「光镊」技术之前,让我们先来了解下这个问题的主人公阿瑟·阿什金。

出生于1922年的阿瑟·阿什金,在布鲁克林长大,哥伦比亚大学本科毕业。

在哥伦比亚大学,阿瑟·阿什金就作为军方人员为军方雷达设备制造磁控管,大二时入伍,但导师从中作梗让他变成一个为“征兵预备役战士”,只好在战争的剩余时间继续在实验室进行课题研究。

战后阿瑟·阿什金听从核物理学家哥哥的建议到康奈尔大学学习。

因为导师米尔曼搬到了贝尔实验室,1958年,激光的前身——微波激射器就是在这里被发明出来的。博士毕业后,阿瑟·阿什金收到导师的邀请也到了贝尔实验室,并在1952年开始微波的研究。

1961年,他把研究方向转向激光,开始研究参量振荡器和光纤的非线性特性。


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与华人科学家朱棣文合作——捕捉原子

科学的发展是渐次发展的。

光摄技术也是如此。

按照时间顺序,激光研究之后,应该是阿瑟·阿什金与华人科学家朱棣文合作研究——捕捉原子阶段。

没错,阿瑟·阿什金的诺贝尔奖的最大贡献,来自于他对辐射压力的研究——光和其他形式的辐射会对物体产生作用力的观点。

捕获的发现——1967年,阿瑟·阿什金发贝尔实验室的下属办公区Holmdel实验室,一次偶然的机会,发现可以用激光束将小型(微米大小)乳胶球推入水中。他还发现,这些球体从光束的边缘被拉到中心。

这个发现,首次推动了激光捕获小型乳胶球。

就是这个发现,为他后来的几十年后的诺贝尔奖奠定了研究的基础和开端。

1970年,阿瑟·阿什金的光学陷阱(通过两束光束聚焦将球体固定在原处,这是不是捕获的再度进展?)研究成果发表在《物理评论快报》。

阿瑟·阿什金进一步的梦想是想捕获原子。

但他遇到了困难。

原因是无法让原子足够冷却,以便在任何时间长度捕获他们。

1975年,阿瑟·阿什金与华人科学家朱棣文以及实验室的其他同事,运用特奥多尔·亨施和阿瑟·肖洛的“光学蜜糖”技术,开始了冷却和捕捉一组原子的实验。

但在展开捕捉原子实验之前,按照朱棣文的构想,他们把一组500个钠原子冷却到300微开尔文,并持续了数秒。

这个成果,被称为光学糖蜜冷却原子。

是原子获得足够时间和温度的冷却,首度获得了成功,尽管温度还不够足够低。


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世界第一台原子捕集器

在他们使用光学糖蜜技术冷却原子之后,阿瑟·阿什金极其团队紧接着开始了另一项研究。

他们用一束激光通过透镜聚焦,使用“光镊”陷阱捕获冷却的原子。

这个成果发表在1986年的《物理评论快报》上,并附第一张彩色实验捕获照片。

这是世界上第一个稳定的、三维的、完全光学的原子捕集器。


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专注于光摄捕捉技术研究的日子

在这之后,阿瑟·阿什金与朱棣文选择了不同的研究方向。

朱棣文及其团队继续用冷却的原子,创造了一个“原子喷泉”,这被用于大幅提高原子钟的精度和重力加速度的实验测量。这个成果,在2018年,使朱棣文与菲利普斯和理论物理学家克劳德·科恩-坦努吉一起获得了诺贝尔奖。

阿瑟·阿什金则开始专注于光镊捕捉的研究,他研究光摄捕捉各种各样的生物,包括烟草花叶病毒、各种细菌、红细胞和藻类植物,并争取不伤害他们。

而且,阿瑟·阿什金的研究进入了分子生物学领域,他用光摄技术操纵细胞质和细胞器,并把这个行为称作为“细胞内部手术的一种形式”。


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光摄技术——研究新冠病毒如何攻击健康细胞

阿瑟·阿什金的光摄技术,带来了生物物理研究的大爆发。

光摄技术,可以产生越来越精确的测量以及对微型生物系统的操作。

光摄技术,可以研究负责细胞内运输的分子马达的运动,可以观察到RNA分子在DNA模板上的运动。这个技术的应用,让观察的分辨率比光学显微镜提高几百倍。

光摄技术,可以帮助发现新物种,这是源于可以使用光镊测量微管和肌动蛋白微丝等细胞内成分的特性。

光摄技术,可以研究传染病生物体如何攻击健康细胞。这自然应该包括2020全球施虐的新型冠状病毒,为人类早日战胜疫情提供了另一个研究方向。


九旬美国物理学家阿瑟·阿什金获得年诺贝尔物理学奖,如何理解他的研究成果「光镊」技术?

“我想生物学领域可能会因为用光镊做出的伟大工作而获得一次诺贝尔奖”

在贝尔实验室经过长达40年的卓越职业生涯之后,1992年,阿瑟·阿什金退休了。

即使退休,他依然活跃在家庭实验室。

鉴于其光摄技术在生物学领域的火爆应用,阿瑟·阿什金曾自嘲的说:

“我想生物学领域可能会因为用光镊做出的伟大工作而获得一次诺贝尔奖”

没错,因为他的光摄技术,让人类能够让激光推、拉和抓住微小物体,如小介电粒子、细胞和DNA等生物分子。2018年,因其研究在“光学镊子及其在生物系统中的应用”领域所做的工作而获得当年一半的诺贝尔物理学奖,另一半被法国巴黎综合理工学院科学家热拉尔·穆鲁和加拿大滑铁卢大学科学家唐娜·斯特里克兰共同收入囊中,以表彰他们在“产生高强度、超短光脉冲方法”方面的工作。

而这年,阿瑟·阿什金已经退休26年,已经是一位96岁的高龄老人。

他,也是目前全球诺贝尔奖获得者最年老的一个。

最后,感谢题主邀请。

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