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2018年诺贝尔物理学奖

——从搬运粒子到近视矫正 激光技术又亮了

□陆 琦 张 楠 任芳言 韩扬眉

  “没有想到是一项技术获奖。”今年的诺贝尔物理学奖得主并没有出现在任何一份预测名单当中。

  就连获奖者之一、物理学奖史上第3位女性——加拿大滑铁卢大学科学家唐纳·史翠克兰(Donna Strickland)在接到诺贝尔奖现场的电话时都激动地说:“首先,必须得说这很疯狂!”

  北京时间10月2日下午5时52分,2018年诺贝尔物理学奖揭晓。今年该奖项被授予“激光物理学领域开创性的发明”。其中一半奖金授予美国贝尔实验室科学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin),因其在“光学镊子及其在生物系统中的应用”领域所做的工作;另一半奖金由法国巴黎综合理工学院科学家杰拉德·莫柔(Gérard Mourou)和加拿大滑铁卢大学科学家唐纳·史翠克兰(Donna Strickland)共同分享,以表彰他们在“产生高强度、超短光脉冲方法”方面的工作。

  UFO照下来一束光,然后就把人定住了,紧接着就是身体不受自己意识控制地进入了飞碟……原来这技术是真的!

  阿瑟·阿什金发明的光学镊子搬运粒子的情形就酷似一个无形的机械手,这个看不见的机械手将按照你的意志自如地控制目标粒子。

  Q:光镊技术是如何被发现的?有什么用?

  中国科学技术大学光镊研究组教授李银妹:

  曾为阿瑟感到惋惜,认为他错过了1997年诺贝尔物理学奖。因为他曾在Bell实验室与朱棣文一起研究原子冷却,当时阿瑟关注到光场对比较大的粒子的力学效应,并在这个方向做了很多延伸,有了许多新发现,最终发明了光镊。

  阿瑟开辟了这项技术后,并一直坚持研究光镊对细胞、单分子、单个颗粒的应用。光镊技术的“鬼斧神工”对于生命科学的意义,正如阿瑟所说:将细胞器从它正常位置移去的能力,为我们打开精确研究细胞功能的大门。光镊是多学科交叉的技术,吸引越来越多的科学家投入其中。

  中科院院士杨国祯:

  这项技术特别是在生命科学和精密测量领域有很大用处。比如细胞、蛋白质分子都是微小颗粒,“光镊”可以用来操控这些分子和微小颗粒,通过调控它们的运动,可以用来研究和测量这些微粒或分子的性能。

  Q:光镊技术在中国的研究进展如何?

  李银妹:

  1989年,中科院院士郭光灿闻讯光镊子技术发明,在国内开启研究。我非常有幸当年能参加到郭光灿老师领导光镊技术研究。为了将光镊技术介绍给中国学者,于1996年出版《生命科学新技术-光镊技术原理、技术和应用》, 2016年又与姚焜老师合著出版了《光镊技术》。

  2013年,我们首次成功利用光镊技术实现对活体动物内的细胞进行光学捕获。在活的动物体内研究细胞生长、迁移、细胞及蛋白质间相互作用等生物学过程,对生命科学、医学研究以及临床诊断具有重大意义。当前正希望将光镊技术向临床方向突破,要将光镊进入到更深层次,即血管内进行细胞操控。

  此突破的难点在于光通过一定厚度的活体组织会受到生物组织的强烈散射,这样就不能形成光镊。采取通过对活体组织外部光场进行调控的方法,期望达到在深度血管内形成光镊的目的。目前已在光场调控方面获取一定进展,寄希望能取得如期目标,将光镊技术推向生物医学实际应用。

  同时在行进的另一个研究方向,即利用光镊操控一个被捏合在单分子上的微米小球来控制单个分子,用光镊提供的pN力研究生物马达相互作用以及RNA分子结构和功能等。

  你知道吗?每年数以百万计的矫正眼睛手术,用的是一种叫做啁啾脉冲放大的技术。

  杰拉德·莫柔和唐纳·史翠克兰为人类创建迄今最短、最强激光脉冲奠定了基础。利用一种巧妙的方法,两人在无须摧毁放大材料的前提下成功创建了超短高强度激光脉冲。

  Q:啁啾脉冲放大技术是个啥?离应用还有多远?

  中国科学院上海光学精密机械研究所所长、中国科学院院士李儒新:

  啁啾是什么意思呢?指的是鸟的叫声在不同时刻有不同的频率。他们两个人发明的这种技术,能在放大光的过程中,让光在不同时刻呈现不同的频率。这种脉冲放大之后,再用另外一种技术把光的频率同步起来,这样就能获得一个时间非常短、强度非常高的脉冲。

  现在所有的大峰值功率激光器,都用到了这种放大技术。包括法国、英国、日本等一些国家正在进行的项目。在国内有中科院物理所的PW级别的激光器,中科院上海光机所的10PW激光器,包括我们将要进行的100PW激光器的项目,也会用到这种技术。

  中国科学院物理研究所光物理重点实验室研究员魏志义:

  这种技术是做什么的呢?把激光的峰值功率安全地放大到更高的量级。如果把持续时间非常短的激光脉冲直接放大,会导致放大的饱和,以及激光元件的损坏,因此将遇到瓶颈。Mourou和他的学生Strickland就把脉冲展宽之后,再进行放大。等激光的能量高到一定程度之后,再进行脉冲压缩,把脉冲宽度压缩到很短,这样一来,相应的峰值功率就非常高,聚焦后的激光强度也就大大提高了。

  经过放大后的超快激光由于具有高的峰值功率与强度,如今在医学、工业以及前沿科学研究等领域大放异彩。在医学领域,超短超强激光可以产生一些新的成像技术,并用于近视眼手术,其产生的高能量质子束、高强度X射线可用于癌症的早期诊断与治疗。在工业领域,特殊材料的高精度加工,诸如手机屏幕的切割等都需要用到超快超强激光。

  此外,放大后的强激光还可应用于激光尾场加速(laser wake field acceleration,简称LWFA),能够把粒子的能量加速到很高,甚至接近光速,也可以产生公里量级的等离子通道。

  Q:国内在该技术方面的进展如何?

  魏志义:

  国内对于这项技术的应用也比较早,取得了比较不错的成果,已在国际上具有重要影响,比如中科院上海光机所、九院(中国工程物理研究院)、中科院物理所等。物理所曾在2011年实现了的1.16PW(1.16x1015 W)峰值功率,是当时国际同类研究最高。

  作为他们的同行,我觉得Mourou和Strickland早就应该拿到诺奖了,实际上他们已被提名多次,因此今年获此殊荣,也在意料之中。该成果不仅给激光领域带来深刻影响,也给核物理、光物理等领域的科学家提供了革命性的技术手段。

  中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣:

  1985年的时候,两位教授发明了这项技术并在杂志上发表,当时Donna Strickland教授还是Gérard Mourou教授的博士生。虽然文章发表的杂志影响因子不是很高,但该技术很先进。

  这一工作发表没多久,中科院上海光机所徐至展院士就敏锐的注意到这一项工作,开拓与发展了我国超强超短激光与强场物理领域及其重大应用研究。

  Gérard Mourou教授和Donna Strickland教授都曾经来过中国。特别是Gérard Mourou教授,最近几乎每年都来上海,对推动中国超强超短激光和强场激光物理的发展给予了很大的帮助。

  中科院物理所研究员曹则贤:

  激光领域是我国一直长期保持国际前沿水平的研究领域。激光是1960年发明的,据说我国1961年就研制成功了第一台激光器。就布局而言,中国科学院在长春、西安、合肥和上海有四家专业的光学与精密机械研究所,中国科学院物理所以及九院等单位的超强、超短脉冲研究成果也处于世界前列。

  北京大学信息科学技术学院教授张志刚:

  如果问和世界水平的差距的话,可以说差距不大。不过,诺奖是给原创的,而我国的超短脉冲、超高功率激光器,技术上没有很大创新,如果我们要获诺奖,还需要从源头上创新,而不是追求某些技术指标。

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