變激光為工具！三位科學家獲諾貝爾物理學獎

今年的諾貝爾物理學獎被授予3位在設計由光製成的工具方面作出重要貢獻的研究人員。來自美國紐約含德市貝爾實驗室的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因發明光鑷而獲得這一殊榮。光鑷是一種利用聚焦激光束夾住和操控包括生物樣本在內的微觀物體的技術，正如人們利用鑷子所做的事情。來自法國巴黎綜合理工學院的熱拉爾·穆魯（Grard Mourou）和加拿大滑鐵盧大學的唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）因發明啁啾脈衝放大（CPA）而獲獎。CPA是一項可極大提高激光脈衝功率的技術，被廣泛用於物理學研究，也可以應用於癌症治療和粒子加速領域。

圖片來源：KAY NIETFELD/PICTURE-ALLIANCE/DPA/AP IMAGES

光鑷通過利用聚焦的激光束對微小物體施加非常小的力，從而將物體夾住。激光束被塑造成「楊柳腰」形狀，而「腰部」擁有強大的電場梯度。如果物體是在電場中被極化的介電材料，它將感受到朝向最強電場區域——激光束中心的力。在垂直方向上，激光束的光子對物體施加壓力從而將其夾起來。儘管上世紀80年代初阿什金最初打算利用該技術操控原子，但他很快將目光轉向更大的粒子以及隨後的生物體，包括病毒和活體細胞。其他人利用該技術闡明了鞭毛如何發揮作用以推動細菌和其他分子馬達，並且解決了馬達RNA聚合酶—— 一種在基因轉錄過程中將DNA拷貝成mRNA的技術——如何沿著DNA產生單鹼基對步驟。研究人員甚至利用光鑷製造微觀反射鏡。

20世紀80年代，在羅切斯特大學工作的穆魯和斯特里克蘭試圖增加激光脈衝的功率，因為激光脈衝自上世紀60年代中期以來增長緩慢。問題是高能脈衝損壞了用於放大過程的材料。在形成斯特里克蘭博士論文的工作中，她和穆魯從雷達技術中獲得了靈感。他們首先將激光脈衝的時間延長了幾個數量級，從而降低了其峰值功率，然後通過放大器傳遞被拉伸的脈衝，最後及時地再次壓縮脈衝，以產生功率大大增強的短脈衝。

使用CPA技術，激光脈衝的峰值功率增長得更快，現在已經成為世界各地激光實驗室的一個常規特徵。CPA開創了阿托秒物理學的新領域，在該領域，極短而強大的激光脈衝被用於拍攝化學反應或在極端電場條件下粒子行為的快照。科學家正在研究是否可以利用激光脈衝序列將粒子加速到比現有加速器更高的能量。CPA系統還在其他領域找到了用武之地，如在工業領域進行材料的高精度處理，在醫學方面被用於矯正眼科手術以及潛在的癌症治療。

「一開始，你會覺得這太瘋狂了！」在被問及10月2日早上得知獲獎後的反應時，斯特里克蘭說。此前，只有兩位女性獲得過諾貝爾物理學獎：1903年的瑪麗·居里和1963年的瑪麗亞·戈培爾-梅耶。「這是全部（女性獲獎者）嗎？是真的嗎？」斯特里克蘭在被告知她只是第三個獲得該獎的女性時說。她表示希望性別平衡在未來會變得更好。（宗華 晉楠）

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