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激光成就梦想:2018年诺贝尔物理学奖深度解读

撰文 | 施郁(复旦大学物理学系)

责编 | 陈晓雪

知识分子为更好的智趣生活 ID:The-Intellectual

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2018年诺贝尔物理学奖奖励激光物理领域的突破性发明。阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)因为“光镊及其在生物系统的应用”获得其中一半,另一半授予杰拉德·莫雷(Gérard Mourou)和唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland),以表彰他们“生成高强度超短光脉冲的方法” [1,2,3]。本文对此项诺贝尔奖的科学背景、内容和意义作较详细的解读,并阐述一点个人理解和评论,包括这次诺贝尔奖未强调的阿什金的光囚禁思想对于超冷原子物理的意义。

1 激光

先解释一下激光。原子中电子从高能级跃迁到低能级时,多余的能量转化为光子辐射出来,能量正比于光子的频率。正如爱因斯坦最早提出的,有两种辐射,一种叫做自发辐射,与外加电磁场无关,另一种叫做受激辐射,与外加电磁场有关。通常电子喜欢在低能级。作为受激辐射的逆过程,低能级的电子可以吸收光子而跃迁到高能级。如果设法让多数电子处于同一个高能级(叫做粒子数反转,在激光器的增益介质中实现),导致受激辐射,就产生很多一模一样的光子,聚集在一起,这叫做空间相干性,更具有时间相干性,即频率和步调整齐一致。这就是激光。

1953年,汤斯(Charls H. Townes)等人造出第一台微波激射器(microwave amplification by stimulated emission of radiation,简称maser)。1958年,肖罗(Arthur L. Schawlow)和汤斯将maser原理推广到红外和可见光,称之为光学maser。1960年,Theodore Maiman造出第一台光学maser,他受了肖罗和汤斯文章的启发,但是也超越了后者 [4]。1964年,汤斯与两位苏联科学家Nikolay Basov和Alexander Prokhorov因“基于laser-maser原理造出振荡器和放大器”而获得诺贝尔物理学奖 [5]。从这个颁奖词开始,“光学maser”被改称为laser,也就是将maser全称中的微波(microwave)改为光(light)。后来钱学森将laser翻译为激光。激光的基本性质,如相干、平直、单色和高强度等等已经直接导致了很多应用,激光光谱的研究也获得过诺贝尔奖。

2 从光压到光镊

1997年,因为“用激光冷却和囚禁原子的方法”,朱棣文、Claude Cohen-Tannoudji 和 William D. Phillips获得诺贝尔物理学奖。朱棣文在诺贝尔演讲中回忆了他在贝尔实验室的重要经历 [6]:

我进入激光冷却和囚禁领域开始于我从新泽西默里山搬到霍姆德尔领导量子电子学研究室。我在与霍姆德尔的办公室隔壁的阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)的交谈中,开始了解他用光囚禁原子的梦想。他发现我听得越来越认真,开始给我读他的文章。

阿什金自学生时代起就对光压感兴趣 [7],激光发明之后,阿什金就用激光研究光压。光压也叫辐射压(单位面积上的压力),或者说光力,也就是光射到物体上带来的力。400年前,开普勒就曾猜测彗星尾巴背向太阳是因为太阳光的光压(现在我们知道,这只是部分原因,更重要的是太阳风),他还写信给伽利略猜想可以用光压驱动星际帆船。一百五十多年前,麦克斯韦的电磁理论证明了光确实有动量、能施加压力。凡尔纳在科幻小说中畅想了用光压驱动星际旅行。前苏联的齐奥尔科夫斯基和灿德尔也提出太阳帆航天器的想法。2010年,日本发射了第一个利用太阳帆技术的“伊卡洛斯”号飞船。美国的探测火星的“海盗”号的轨迹也考虑了光压效应。霍金参与启动的所谓“突破摄星”计划希望用激光光压驱动很多小飞船。

对于宏观物体或微粒,正如阿什金所喜欢的,我们可以借用牛顿力学来讨论问题。下面笔者简单介绍一下基本思想。让我们考虑一束光射进一个小球。光被小球折射,改变了动量(方向变了)。但是光与球的总动量守恒,因此小球得到了动量。单位时间里的动量改变就是它受到的力,这就是牛顿第二定律。所以光的动量改变导致小球受到光力。这个力叫做散射力。光的密度越大,与小球的散射越多,散射力也就越大。另一方面,如果光束不均匀,那么光密的地方受力大,光疏的地方受力小,这导致还有一个正比于密度梯度(随位置的变化)的梯度力,朝向高密度区域。巧妙地利用散射力和梯度力,就可以实现囚禁。

1969年,阿什金用聚集的激光移动了空气和水中的介电小球,演示了梯度力,并用两束相向传播的激光束囚禁了粒子,也提出这个方法可以用于囚禁原子分子 [8]。介电材料不导电,但是外电场使得每个原子的正电荷与负电荷分开,因此与正负电荷稳定地耦合。后来他还利用光力与重力的平衡,将粒子悬浮起来。1977年,为了囚禁和冷却原子,阿什金提出全光单束梯度力囚禁的构想 [9]。这就是光镊。1985年,阿什金与同事成功地用光镊囚禁了一个介电小球 [10]。阿什金与同事先借助于透镜,将光射进一个介电小球,小球将光折射。为了使得梯度力能够抵消散射力,他们借助于显微镜物镜获得大数值孔径和大角度会聚。

1986年,朱棣文等人与阿什金合作,将原子减速冷却下来,并应用和发展了阿什金的光镊囚禁方法,成功实现了原子的激光冷却和囚禁 [11]。1997年,朱棣文在诺贝尔演讲中介绍了阿什金的前期工作,有趣的是,最后也介绍了阿什金以及他本人将激光囚禁用于生物学的工作。

3 光镊带来生命科学的革命

1986年,阿什金开始将光镊用于研究生物系统。为了减少损伤,激光需要处于红外波段。阿什金用光镊实现了囚禁和操纵病毒、细菌、活细胞 [12,13],深入细胞内部而不破坏细胞膜 [14],测量细胞器微观输运的驱动力 [15]。

光镊给生命科学提供了一个广泛使用的革命性工具,用来对生物物质进行各种操作,使得生物体内很多微观过程,特别是生物体内的各种小机器的物理过程得到仔细研究。这成为物理学与生物学的一个交叉领域。下面略举几例。

1) 单个生物大分子,比如DNA和RNA的力学和非平衡统计力学。2) 驱动细菌游动的鞭毛,鞭毛包含螺旋状的细丝,与一个转动分子马达相连。3) 线性运动的马达分子,它们广泛存在于细胞内的输运、肌肉收缩以及细胞分裂中,将化学能转化为运动,比如细胞内部在微管上传输物质的驱动蛋白、在肌动蛋白丝上滑动的肌球蛋白(导致肌肉收缩)。利用光镊,研究人员可以精准测量分子马达的轨迹、步长(通常为几个纳米,1纳=10-9)、停顿时间、力(约为1到100皮牛顿,1皮=10-12)等等。4) 生命活动的微观过程,例如在DNA到信使RNA的转录过程中,马达RNA聚合酶沿着DNA每个碱基对的移动;在信使RNA的转录信息基础上,核糖体对单个信使RNA的编码子的转译;蛋白质降解中,蛋白酶打开基底蛋白质的力学过程。

4 光囚禁在超冷原子物理中的特殊意义

笔者这里讨论一下阿什金早期的光囚禁工作对于超冷原子物理的特殊意义。这是诺贝尔奖未强调的。

原子的冷却与囚禁导致了超冷原子物理的发展。1995年,Carl Wieman和Eric Cornell的研究组以及Wolfgang Ketterle的研究组实现了玻色爱因斯坦凝聚,可能对于1997年的诺贝尔奖授予朱棣文、Cohen-Tannoudji 和Phillips起了推动作用,而他们自己获得了2001年的诺贝尔奖。

早期的超冷原子研究大多使用磁阱或者磁光阱。在这里,原子的自旋(磁矩)与外磁场耦合,所以自旋被冻结,不能体现与自旋相关的物理。后来,光阱或者说光囚禁被用来研究超冷原子,导致很多丰富的物理。比如,利用光阱实现了体现自旋重要性的旋量玻色气。利用光阱还可以方便地用Feshbach共振来调控原子之间的相互作用,由此实现诸如费米子超流、玻色-爱因斯坦凝聚与BCS超流的渡越等量子多体物理现象。而作为光阱的发展,光晶格中的原子可以成为强关联多体系统,也可以应用于量子模拟和量子信息处理。

追根溯源,光阱来源于阿什金最初的光囚禁的思想。正如阿什金本人说过的,光囚禁的思想不是显然的。所以阿什金的光囚禁的思想对于超冷原子物理有特殊的贡献。

我们为阿什金能够健康长寿,终于在96岁时得到姗姗来迟、实至名归的诺贝尔奖而欣慰。阿什金的研究历程记录在他的著作中 [7]。阿什金教授接受记者采访时,用这本书的封面对光镊作了解释 [16]。

阿什金长期在贝尔实验室工作,为贝尔实验室获得第9个诺贝尔奖。贝尔实验室人才云集,科研人员自主创新,取得了极大的成功。



►作者收藏的阿什金著作


►阿什金接受记者采访

5 高强度超短激光脉冲

研究物质中的快速过程,需要短脉冲的激光。为了获得短脉冲的激光,人们用过各种方法(比如所谓的Q开关、锁模、染料激光器)。由于激光脉冲达到了分子中原子运动的时间尺度,所以被用于研究化学反应,1999年的诺贝尔化学奖因此授予Ahmed Zewail。但是,在这些方法中,脉冲的功率峰值并没有增加很多,只能将锁模振荡器出来的纳焦耳脉冲放大1百万倍到毫焦耳。再放大容易导致损坏放大器,除非增大光束半径以降低强度,而这代价高、重复率低。

1985年,当时在光学重镇罗切斯特大学的莫雷和他的学生斯特里克兰发明了啁啾脉冲放大(CPA)技术 [17]。诺贝尔奖官方材料特别指出 [3]:“他们从雷达技术得到启发,正如汤斯发明maser时受益于他在雷达方面的经验和光通讯方面的研究。”莫雷现任法国巴黎综合理工学院教授,斯特里克兰现任加拿大滑铁卢大学副教授。



►2013年,斯特里克兰作为光学会(OSA)主席给朱棣文颁发某个奖章。 (来源:OSA)

啁啾脉冲放大的技术要点如下。首先将超短激光脉冲在时间上拉长几个数量级,所以功率峰值相应地下降几个数量级。然后在激光材料中安全地放大。最后在时间上压缩回原来的长度,已经放大过的功率峰值随之变得非常高。“啁啾(chirp)”本来是指鸟鸣声,后来用来指脉冲信号中频率随时间单调增加或下降。

虽然看上去简单,但是莫雷和斯特里克兰经过几年的努力才使设想成为现实[3,17]。他们最初的方法如下。先将纳焦耳脉冲与单模光纤耦合,拉长到300皮(10-12)秒,脉冲在光纤中啁啾化,频率随时间而增大,叫做上啁啾,然后将啁啾信号放大,最后,长的啁啾脉冲被双栅压缩器压到2皮秒,能量达到1毫焦耳。后来研究组又取得了进一步进展,于1986年产生了1太(1012)瓦的激光。再后来,用于拉长脉冲的光纤被一对衍射光栅取代,以拉长脉冲。1988年,莫雷研究组实现了从纳焦耳到焦耳的9个数量级的放大 [18]。这导致光脉冲强度的大跃进。

后来别的研究组提出基于啁啾脉冲放大的新技术,例如能产生更高强度的所谓光学参数啁啾脉冲放大。基于钕玻璃的激光可以产生1皮秒1焦耳的脉冲,基于掺钛蓝宝石的激光可以得到100飞(10-15)秒的短脉冲。拍(1015)瓦脉冲于1999年在Lawrence Livermore国家实验室产生。

现在全世界有几十台运行或建造中的拍瓦激光器,还有更高功率的激光在计划中,例如莫雷推动的欧洲合作的极端光设施(Extreme Light Infrastructure)的捷克分部将有10拍瓦的激光,强度预期可以达到每平方厘米1023。这些装置可以用来研究一些极端物态,如辐射主导的物质、高压量子物质、温致密物质与超相对论等离子体。这些领域属于高能量密度物理,对于天体物理和惯性约束聚变都很重要。

造价较低的桌面太瓦激光可以用于研究强场物理、阿秒科学、激光等离子体加速等等。基于啁啾脉冲放大的飞秒激光可以用来研究强激光中的物理。在原子物理的强场区,光场强度能将原子电离化并产生动能很大的电子。阿秒激光可以探测原子分子和凝聚态中的电子的动力学。高强度的激光还可以产生等离子波,在1厘米距离中将电子加速到10亿电子伏特,这提供了新的加速器原理。

啁啾脉冲放大技术还产生适用于工业和医疗的超短激光,特别是对于需要高精密度的情况。比如用超短激光脉冲在媒质中刻录信息而不损伤材料。医学上,用激光脉冲制作手术定位板、加强血管及身体中其他通道用的微米金属圆柱体等等。每个脉冲大概120纳焦的飞秒激光还用于近视和散光的屈光手术。在激光原位角膜磨削术(LASIK)中,为了让准分子激光能到达并改变角膜基质,需要用飞秒激光产生角膜瓣。而在某个一体化飞秒激光方案中,不需要产生角膜瓣,而只需要产生一个4毫米或更小的切口,然后移除光切割的小透镜层,改变角膜形状,修正屈光。


►莫雷2010年参与的极端光设施的宣传片最近引发争议。(来源:theguardian.com/science

6 师生合作获奖

斯特里克兰研究啁啾脉冲放大技术的时候还是研究生。她的获奖让我想起,1974年Anthony Hewish因为脉冲星的发现分享诺贝尔物理学奖,而作出关键贡献的女研究生Jocelyn Bell无缘诺奖。这件事当时就被诟病,一直至今受到非常广泛的关注。1977年,Bell自己曾经冷处理此事,说她觉得如果诺贝尔奖授予研究生,会贬低诺贝尔奖,除非在特殊情况下,而她不属于那些特殊情况 [4]。Bell今年得到了基础科学特别突破奖。

不过听说Bell的事情似乎使得诺贝尔奖委员会从此小心对待师生合作的情形。比如发现脉冲双星的学生Russell A. Hulse和导师Joseph H. Taylor Jr. 分享了1993年的诺贝尔物理学奖(Hulse博士毕业后就离开了天体物理)。

按照诺贝尔奖的标准,诺贝尔奖是奖给某一项研究成果的。根据这个原则,研究人员只要在诺奖委员会认为值得获得诺奖的某一项研究成果中,作出足够重要的贡献,就可以也应该获诺贝尔奖,而与其他学术贡献与学术水平无关。相反,一些作出若干杰出贡献的科学大师无缘诺奖,因为其中没有一项贡献被诺奖委员会认为可以获得诺奖。

7 总结

阿什金利用激光光压发明了光镊,能够囚禁和控制微粒、细菌、细胞、病毒、分子和原子,而且可以不损伤生命物质,提供了在微观细节上研究生命过程的革命性手段。除了诺贝尔奖颁奖词明确指出的功绩之外,笔者认为阿什金的激光囚禁原子的思想对于后来冷原子物理的发展也非常重要。莫雷和斯特里克兰的啁啾脉冲放大技术导致超短激光的强度暴增,为基础和应用研究带来很多途径,并在工业和人类生活中广泛应用。



参考文献:

[1] The Nobel Prize in Physics 2018. NobelPrize.org.

[2] Tools made of light, Popular Science Background, The Nobel Prize in Physics 2018.

[3] Groundbreaking Inventions in Laser Physics, Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2018. (本文多处引用该文,不再一一注明)。

[4] Wikipedia.

[5] The Nobel Prize in Physics 1964.NobelPrize.org.

[6] The Nobel Prize in Physics 1997.NobelPrize.org.

[7] Ashkin A. Optical Trapping and Manipulation of Neutral Particles Using Lasers. World Scientific, 2006.

[8] Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure, 1970. Phys. Rev. Lett. 24: 156

[9] Ashkin A. Trapping of atoms by resonance radiation pressure, 1978. Phys. Rev. Lett. 40: 729

[10] Ashkin A, Dziedzic J M, Bjorholm J E, Chu S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, 1986. Opt. Lett. 11:288

[11] Chu S, Bjorholm J E, AshkinA, Cable A. Experimental observation of optically trapped atoms, 1986, Phys.Rev. Lett. 57: 314

[12] Ashkin A, Dziedzic J M.Optical trapping and manipulation of virus and bacteria, 1987, Science, 235:1517

[13] Ashkin A, Dziedzic J M, Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams, 1987, Nature, 330:769

[14] Ashkin A, Dziedzic J M.Internal cell manipulation using infrared laser traps, 1989, Proc. Natl. Acad.Sci. USA, 86:7914

[15] Ashkin A, Schütze K, Dziedzic J M, Euteneuer U, Schliwa M. Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap, 1990, Nature, 348:346

[16]Reuters. 96-year-old Ashkin wins Nobel Prize for Physics. msn.com/en-us/sports/te

[17] Strickland D. Mourou G.Compression of amplified chirped optical pulses. 1985. Opt. Commun. 56: 219

[18] Main P, Strickland D, Bado P, Pessort M, Mourou G. Generation of ultrahigh pea power pulses by chirped pulse amplification. 1988. IEEE J. Quantum Electron. QE-24: 398.

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发布于 2018-10-10

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