從光壓到光鑷

2021-01-18 物理文化與施鬱世界線

1997年，因「用雷射冷卻和囚禁原子的方法」，朱棣文、科恩-塔諾季（C. Cohen-Tannoudji）和菲利普斯（W. D. Phillips） 獲得諾貝爾物理學獎。朱棣文在諾貝爾演講中回憶了他在貝爾實驗室的重要經歷：


我進入雷射冷卻和囚禁領域始於我從新澤西默裡山搬到霍姆德爾（Holmdel）的分部去領導量子電子學研究室。我從與在霍姆德爾的辦公室隔壁的阿瑟•阿什金的交談中，開始了解他用光囚禁原子的夢想。他發現我聽得越來越認真，開始給我讀他的文章。 

自學生時代起，阿什金就對光壓感興趣，雷射發明之後，就開始用雷射研究光壓。光壓又叫輻射壓（單位面積上的壓力），或者說光力，也就是光照射到物體上時施於物體的力。


400年前，克卜勒就曾猜測彗星尾巴背向太陽是因為太陽光的光壓（現在我們知道，這只是部分原因，更重要的是太陽風），他還寫信給伽利略，猜想可以用光壓驅動帆船。


150餘年前，麥克斯韋的電磁理論證明了光確實有動量、能施加壓力。凡爾納在科幻小說中暢想了用光壓驅動星際旅行。蘇聯的齊奧爾科夫斯基（K. Tsiolkovsky）和贊德（F. Zander）也提出太陽帆的想法。


2010年，日本發射了第一個利用太陽帆技術的「伊卡洛斯（Ikaros）」號飛船。在美國「海盜（Viking）」號火星探測器的運行軌跡設計中也考慮了光壓效應。



對於宏觀物體或微粒，正如阿什金所喜歡的，我們可以借用牛頓力學來討論問題——


考慮一束光射進一個小球。光被小球折射，動量改變了。但是光與球的總動量守恆，因此小球得到了動量。單位時間裡的動量改變就是它受到的力，這就是牛頓第二定律。所以，光的動量改變導致小球受到光力，這個力叫做散射力。光的密度越大，散射力也越大。另一方面，如果光束不均勻，那麼光密的地方受力大，光疏的地方受力小，這導致還有一個正比於密度梯度的梯度力，朝向高密度區域。巧妙地利用散射力和梯度力，就可以實現囚禁。


1969年，阿什金用聚集的雷射移動了空氣和水中的介電小球，演示了梯度力，並用兩束相向傳播的雷射束囚禁了粒子，並提出這個方法可以用於囚禁原子、分子。後來他還利用光力與重力的平衡，將粒子懸浮起來。


1977年，為了囚禁和冷卻原子，阿什金提出全光單束梯度力囚禁的構想。這就是光鑷。


1985年，阿什金與同事成功地用光鑷囚禁了一個介電小球。他們先藉助透鏡，將光射進介電小球，小球將光折射。為了使得梯度力能夠抵消散射力，他們藉助顯微鏡物鏡來實現大數值孔徑和大角度會聚。


1986年，朱棣文等人與阿什金合作，使用阿什金的方法，並將原子減速冷卻下來，成功實現了原子的雷射冷卻和囚禁。


1997年，朱棣文在諾貝爾演講中介紹了阿什金的前期工作，有趣的是，也介紹了阿什金以及他本人將雷射囚禁用於生物學的工作。


施鬱. 科學，2019，71（1）：1-4； 2018年諾貝爾物理學獎：雷射物理的突破性發明，科學畫報，2018，(12): 10-11.

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    本站訊（通訊員 胡春光）光鑷技術以其精密的力操控與測量性能，在生物大分子力與構象動力學研究中大放異彩，如核酸和蛋白質的摺疊動力學研究。角旋轉光鑷技術被認為是解決這一難題的有效方法，是光鑷技術研究的重要方向。近日，天津大學精儀學院微納測試團隊提出了一種基於人工化學合成的異質兩面神（Janus）微球的光鑷可控旋轉新方法，為光鑷多自由度操控微結構體提供了新的思路。
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