亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）被譽(yù)為光學(xué)捕獲之父，他可以用聚焦激光束操控原子和細(xì)胞等各種大小不等的粒子。2018年，時年96歲的阿斯金憑借“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”成為當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎?wù)咧?。在光的作用力領(lǐng)域，他的發(fā)現(xiàn)具有開創(chuàng)性。2020年9月21日，阿斯金溘然長逝，享年98歲。

今天，光學(xué)鑷子是生物學(xué)研究不可或缺的工具。它們可以測量物質(zhì)的運動，其精度達(dá)到原子直徑的水平，還可以用來測量利用單個載能分子——腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）的化學(xué)能所產(chǎn)生的力。

阿斯金出生于紐約布魯克林，他與其兄長尤利烏斯（Julius）自學(xué)了物理和微積分，并由大家庭籌資進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)求學(xué)。大二時，美國卷入第二次世界大戰(zhàn)，阿斯金的導(dǎo)師西德尼·米爾曼（Sidney Millman）說服軍方將其留在哥倫比亞大學(xué)，從事雷達(dá)技術(shù)工作。之后，阿斯金進(jìn)入康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位，在那里準(zhǔn)確測量出了電子-電子和電子-正電子散射的角相關(guān)性，從而驗證了全量子電動力學(xué)（相對）理論。后來，他在米爾曼的邀請下，加盟貝爾實驗室，并在那里一直工作到1992年退休。

從童年時代起，阿斯金就對光產(chǎn)生的力癡迷不已。20世紀(jì)60年代中期，他獲悉來自加拿大多倫多大學(xué)的埃里克·羅森（Eric Rawson）闡述了微小的塵埃粒子如何被困于氦氖激光腔內(nèi)的光束中。阿斯金對此感到好奇，便將激光束聚焦到浸入水中直徑僅為數(shù)微米的乳膠球上。水將球體冷卻，從而消除了熱輻射力，但粒子仍然被吸入高強(qiáng)度的光束中。阿斯金的研究表明，粒子就如同一個微小透鏡，可改變光的動量。動量的變化速率會在粒子上產(chǎn)生相等但相反的力，并將其吸引到光強(qiáng)度更高的光束中。

阿斯金還對原子光學(xué)力進(jìn)行了研究。他與約翰·比約克霍爾姆（John Bjorkholm）和理查德·弗里曼（Richard Freeman）一起演示了透鏡的原子版本——“偶極力”。他在1978年提出，將散射和偶極力結(jié)合在一起可以捕獲原子。他強(qiáng)調(diào)了一個由兩個相反的激光束組成的原子陷阱，也提出了一個聚焦激光束的“概念上最簡單的陷阱”。

1985年，朱棣文的研究團(tuán)隊與阿斯金和比約克霍爾姆通力合作，通過使用由三個交叉?zhèn)鞑サ募す馐a(chǎn)生“光學(xué)粘團(tuán)”，光學(xué)粘團(tuán)會使原子的運動速度減慢，并且足以使光學(xué)力捕獲它們。該團(tuán)隊希望能夠證明存在阿斯金提出的大容量陷阱，但經(jīng)過好幾個月都沒有成功，他們沒有采用單個聚焦光束。

在單個光束中使原子冷卻至絕對零度以上并一直保持這種狀態(tài)，類似于在室溫條件下捕獲水中微米大小的聚苯乙烯球。阿斯金意識到這一點之后，很快就證實水中直徑為0.025～10 μm的聚苯乙烯顆粒可被單個光束俘獲。幾個月后，團(tuán)隊成功捕獲了原子。事實上，光鑷陷阱的所有要素都是由阿斯金于1970年設(shè)定的。

1987年，阿斯金發(fā)現(xiàn)，他可以對實驗儀器上滋長的細(xì)菌進(jìn)行光學(xué)操控。當(dāng)光線被收起時，細(xì)菌會走開；而通過操控激光的焦點，它們又會被重新捕獲。到1990年，一些研究人員已經(jīng)可以通過將粒子、原子、細(xì)胞、細(xì)胞器和單個生物分子附著在聚苯乙烯球上，用光學(xué)鑷子將其捕獲。

阿斯金的想法非比尋常，既富有創(chuàng)造性又切合實際。他對科學(xué)孜孜不倦，滿懷熱忱，90多歲高齡時仍然一如往常，在家中的地下室工作。他樂教善教，指導(dǎo)眾多生物物理學(xué)家學(xué)會了如何復(fù)制光鑷陷阱。他探索光學(xué)力的熱情極富感召力，改變了許多人的科學(xué)生涯。

資料來源 Nature