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  • 1 # 中醫科院藥學博士

    正好曾經關注過這方面的資訊,還有點印象,試著回答下,但願能達到題主滿意。

    “光學捕獲”之父——阿瑟·阿什金

    在介紹阿瑟·阿什金的「光鑷」技術之前,讓我們先來了解下這個問題的主人公阿瑟·阿什金。

    出生於1922年的阿瑟·阿什金,在布魯克林長大,哥倫比亞大學本科畢業。

    在哥倫比亞大學,阿瑟·阿什金就作為軍方人員為軍方雷達裝置製造磁控管,大二時入伍,但導師從中作梗讓他變成一個為“徵兵預備役戰士”,只好在戰爭的剩餘時間繼續在實驗室進行課題研究。

    戰後阿瑟·阿什金聽從核物理學家哥哥的建議到康奈爾大學學習。

    1961年,他把研究方向轉向鐳射,開始研究參量振盪器和光纖的非線性特性。

    與華人科學家朱棣文合作——捕捉原子

    科學的發展是漸次發展的。

    光攝技術也是如此。

    按照時間順序,鐳射研究之後,應該是阿瑟·阿什金與華人科學家朱棣文合作研究——捕捉原子階段。

    沒錯,阿瑟·阿什金的諾貝爾獎的最大貢獻,來自於他對輻射壓力的研究——光和其他形式的輻射會對物體產生作用力的觀點。

    捕獲的發現——1967年,阿瑟·阿什金髮貝爾實驗室的下屬辦公區Holmdel實驗室,一次偶然的機會,發現可以用鐳射束將小型(微米大小)乳膠球推入水中。他還發現,這些球體從光束的邊緣被拉到中心。

    這個發現,首次推動了鐳射捕獲小型乳膠球。

    就是這個發現,為他後來的幾十年後的諾貝爾獎奠定了研究的基礎和開端。

    阿瑟·阿什金進一步的夢想是想捕獲原子。

    但他遇到了困難。

    原因是無法讓原子足夠冷卻,以便在任何時間長度捕獲他們。

    1975年,阿瑟·阿什金與華人科學家朱棣文以及實驗室的其他同事,運用特奧多爾·亨施和阿瑟·肖洛的“光學蜜糖”技術,開始了冷卻和捕捉一組原子的實驗。

    但在展開捕捉原子實驗之前,按照朱棣文的構想,他們把一組500個鈉原子冷卻到300微開爾文,並持續了數秒。

    這個成果,被稱為光學糖蜜冷卻原子。

    是原子獲得足夠時間和溫度的冷卻,首度獲得了成功,儘管溫度還不夠足夠低。

    世界第一臺原子捕集器

    在他們使用光學糖蜜技術冷卻原子之後,阿瑟·阿什金極其團隊緊接著開始了另一項研究。

    他們用一束鐳射透過透鏡聚焦,使用“光鑷”陷阱捕獲冷卻的原子。

    這是世界上第一個穩定的、三維的、完全光學的原子捕集器。

    專注於光攝捕捉技術研究的日子

    在這之後,阿瑟·阿什金與朱棣文選擇了不同的研究方向。

    朱棣文及其團隊繼續用冷卻的原子,創造了一個“原子噴泉”,這被用於大幅提高原子鐘的精度和重力加速度的實驗測量。這個成果,在2018年,使朱棣文與菲利普斯和理論物理學家克勞德·科恩-坦努吉一起獲得了諾貝爾獎。

    阿瑟·阿什金則開始專注於光鑷捕捉的研究,他研究光攝捕捉各種各樣的生物,包括菸草花葉病毒、各種細菌、紅細胞和藻類植物,並爭取不傷害他們。

    而且,阿瑟·阿什金的研究進入了分子生物學領域,他用光攝技術操縱細胞質和細胞器,並把這個行為稱作為“細胞內部手術的一種形式”。

    光攝技術——研究新冠病毒如何攻擊健康細胞

    阿瑟·阿什金的光攝技術,帶來了生物物理研究的大爆發。

    光攝技術,可以產生越來越精確的測量以及對微型生物系統的操作。

    光攝技術,可以研究負責細胞內運輸的分子馬達的運動,可以觀察到RNA分子在DNA模板上的運動。這個技術的應用,讓觀察的解析度比光學顯微鏡提高几百倍。

    光攝技術,可以幫助發現新物種,這是源於可以使用光鑷測量微管和肌動蛋白微絲等細胞內成分的特性。

    光攝技術,可以研究傳染病生物體如何攻擊健康細胞。這自然應該包括2020全球施虐的新型冠狀病毒,為人類早日戰勝疫情提供了另一個研究方向。

    “我想生物學領域可能會因為用光鑷做出的偉大工作而獲得一次諾貝爾獎”

    在貝爾實驗室經過長達40年的卓越職業生涯之後,1992年,阿瑟·阿什金退休了。

    即使退休,他依然活躍在家庭實驗室。

    鑑於其光攝技術在生物學領域的火爆應用,阿瑟·阿什金曾自嘲的說:

    “我想生物學領域可能會因為用光鑷做出的偉大工作而獲得一次諾貝爾獎”

    沒錯,因為他的光攝技術,讓人類能夠讓鐳射推、拉和抓住微小物體,如小介電粒子、細胞和DNA等生物分子。2018年,因其研究在“光學鑷子及其在生物系統中的應用”領域所做的工作而獲得當年一半的諾貝爾物理學獎,另一半被法國巴黎綜合理工學院科學家熱拉爾·穆魯和加拿大滑鐵盧大學科學家唐娜·斯特里克蘭共同收入囊中,以表彰他們在“產生高強度、超短光脈衝方法”方面的工作。

    而這年,阿瑟·阿什金已經退休26年,已經是一位96歲的高齡老人。

    他,也是目前全球諾貝爾獎獲得者最年老的一個。

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