博士期间第一篇论文,带她走上了诺奖之路|18年物理诺奖授予三位“激光魔法师”

发布: | 发布时间:2018-10-3,星期三 | 阅读:789

原文以Physics Nobel won by laser wizardry – laureates include first woman in 55 years为标题

发布在2018年10月2日的《自然》新闻上

原文作者:Davide Castelvecchi, Elizabeth Gibney & Matthew Warren

Donna Strickland、Gérard Mourou以及Arthur Ashkin因发明能捕捉极快过程并操纵微小物体的强激光束被授予诺贝尔物理学奖。

Arthur Ashkin、Donna Strickland和Gérard Mourou。来源:Nokia Bell Labs; Univ. Waterloo; CTK/Alamy

三位激光物理学家因在利用强激光束捕捉超快过程并操纵微小物体方面的研究获得了2018年诺贝尔物理学奖。获奖者Donna Strickland更是过去55年中唯一摘得该荣誉的女性。

加拿大滑铁卢大学的Strickland将与她的前导师,巴黎综合理工学院的Gérard Mourou分享一半的奖金,另一半奖金由贝尔实验室的Arthur Ashkin获得——总奖金为900万瑞典克朗(约合人民币692万元)。

Strickland与Mourou开创了能够产生前所未有的超短超强光脉冲的方法。如今,这一方法广泛应用于各个科学领域,让研究人员可以清楚观察到之前看起来像是转瞬即逝的过程,比如原子中的电子运动。这种方法在眼科激光手术中也有应用。

Ashkin因发明“光学镊子”的开创性贡献而得奖。“光学镊子”能利用激光束来抓取和控制像病毒和细胞这样的微观物体。

Strickland在10月2号的诺贝尔奖宣布仪式上说:“首先,你肯定觉得这太疯狂了,那是我的第一反应。然后你会不停回想这是不是真的。”

开创性工作

诺贝尔奖颁奖机构瑞典皇家科学院在声明中称,虽然获奖者的成就在应用层面尚未得到完全释放,“但即使是现在,这些杰出的发明也能实现对微观世界的探索,再现阿尔弗雷德•诺贝尔的精神——为人类福祉做出最大贡献。”

Strickland是有史以来第三位获得诺贝尔物理学奖的女科学家,她的上一位是1963年获得该奖的Maria Goeppert Mayer。

当Strickland被问及她的获奖在这方面的意义时,她说:“我本以为会有更多女性得过这个奖。显然,我们应该注重表彰女性物理学家,因为女物理学家确实不少。我希望这方面前进的步伐可以更快一些。我不知道说什么最合适,能与这些女性为伍是我的荣幸。”

瑞典皇家科学院秘书长Göran K. Hansson表示,科学院正采取措施鼓励更多女性科学家获得提名,“因为我们不想遗漏任何人。Hansson还提到了这些措施并未影响今年的评奖。“重要的是要记住,诺贝尔奖旨在奖励发现和发明,获奖者对全人类做出了重大贡献,这也是他们得奖的原因。”

时间上的拉长

短暂的激光脉冲可以让科学家观察到心脏跳动一次的时间里就结束的过程。但在Strickland和Mourou发明这项革命性的技术之前,短激光脉冲的最大强度十分有限。因为太高功率的激光可能会损坏用于产生这些激光的放大器。

Strickland和Mourou的突破在于利用光栅在时间上延展激光脉冲的脉宽。这能降低光束的功率,并允许常规的放大器用于被延展的脉冲。在这之后,这些激光脉冲可以再被压缩回一个短暂但有力的爆发脉冲——这一过程被称为啁啾脉冲放大。

这一方法最早出现在1985年Strickland作为博士生发表的论文中,这也是她的第一篇学术论文。对这个方法的不断改进已经让科学家能生成阿秒级的激光脉冲——阿秒是纳秒的十亿分之一。就像每秒能拍摄更高帧数的摄像机一样,这些短脉冲能用于研究像光合作用的化学反应这种飞速变化的过程。

不仅如此,相较于长脉冲,这些飞逝的短脉冲造成的破坏也更小。因此,超短激光脉冲不仅在眼科激光手术中有所应用,还能用于在数据储存材料中刻划更精密的印记,从而制造更高效的存储器。

法国光学物理学家John Dudley说,Strickland和Mourou发明的啁啾脉冲放大既是基础科学上的突破,也是技术上的重大发明。“诺奖授予的是发现或发明。这一贡献确实同时跨越了两者。”

Dudley还表示,两位科学家都没有“躲在象牙塔里”。他特别提到了Mourou,称他一直在推动欧洲联合项目极端光基础设施(ELI)的开展。ELI主要研究极高强度和极短时间下的光特性。

Dudley还指出Mourou是个博学家,不仅能作曲,对人文科学也有广泛涉猎。

在Dudley看来特别有意义的是,Strickland博士研究生期间的成就获得了认可。这与发现脉冲星的英国天体物理学家Jocelyn Bell Burnell的遭遇形成了鲜明对比。Burnell的导师在1974年获得了诺贝尔奖,而她的贡献却被忽略了。Dudley表示,“我们很高兴看到诺贝尔委员会一直在听取学界的意见,以及当时反对这个决定的声音。”

微观手指

96岁的Ashkin是有史以来年龄最大的诺贝尔奖得主。他的获奖工作从1960年激光刚发明不久后就开始了。激光会对微小物体产生柔和的压力,Ashkin意识到这可以用来操纵微小物体,同时不对它们造成损伤。上世纪60年代,Ashkin在微米大小的小球上实验了这个想法,并证实这些颗粒会被吸引到光束中高强度的区域。

基于这一发现,诞生了一种通过对激光束塑型,从而捕捉、悬浮并移动物体的方法。这种方法现在被称为光学镊子,Ashkin发现了这些高度聚焦的激光“手指”能够捕捉细菌、病毒和活细胞。

英国格拉斯哥大学的光学物理学家Miles Padgett说:“我太为他高兴了。他是个很棒的人。”

Padgett认为Ashkin的发明产生了举世公认的影响,特别是在生物物理学领域。如今,光学镊子的应用范围极广,包括从感染的细胞中分离出健康细胞、纳米尺度的材料工程等等。

Padgett称赞Ashkin不断改进技术、简化装置的做法。“我特别欣赏人的这种钻研精神。Ashkin一直在努力做得更好。”

Padgett以及很多光镊领域的科学家都认为,1997年朱棣文因光镊相关技术荣获诺贝尔物理学奖时,Ashkin的贡献在很大程度上被忽视了。“可以说,我当时以为Ashkin已经与得奖机会失之交臂了。”ⓝ

Nature|doi:10.1038/d41586-018-06752-z


来源:Nature自然科研


 

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