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現代物理學家:亞瑟.亞希金 (Arthur Ashkin)

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撰文者:Kishan Dholakia (University of St Andrews, St Andrews, Scotland)、Halina Rubinsztein-Dunlop (University of Queensland, Br
發文日期:2021-10-21
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  • 亞瑟.亞希金(Arthur Ashkin)—一位在光和物質的交互作用(light-matter interaction)研究中的開創者,以及光學捕捉(optical trapping)的發現者—於2020年9月21日在紐澤西州朗姆森(Rumson, New Jersey)去世。他因「光鑷(optical tweezers)及其在生物系統中的應用」,榮獲2018年諾貝爾物理學獎的一半獎項(註1)。


    亞希金於1922年9月22日在紐約布魯克林(Brooklyn, New York),一個烏克蘭猶太人家庭中出生。他在1947年取得哥倫比亞大學(Columbia University)的物理學學士學位。在哥倫比亞的輻射實驗室,他為美國軍用雷達系統製造了磁控管(magnetrons)。之後他去了康乃爾大學(Cornell University),並在那裡與許多物理學界的傑出名人交流,包括漢斯.貝特(Hans Bethe)與理查.費曼(Richard Feynman)。


    1952年,亞希金在威廉.伍德沃德(William Woodward)的指導下取得核子物理學博士學位後,前往貝爾實驗室(Bell Labs)工作。他一開始研究的是微波,但在1961年轉向雷射方面並研究參數震盪器(parametric oscillators)以及光在光纖(optical fibers)中的非線性傳播。在此時,他對輻射壓力(radiation pressure)的好奇已經被激起。在一次演講中,他得知了微小粒子可以在可見光雷射的共振腔(resonant cavity)內做特殊運動(peculiar motion)。這些粒子被稱為奔跑者與彈跳者,它們來回移動並做著瘋狂的事情。亞希金當時說:「我們認為這可能是輻射壓力造成。」


    亞希金的遠見是發展光的動量與物質的交互作用。他在1970年的一篇開創性論文中展示,在兩束相互指向的雷射光中,可以捕捉微小粒子。移除其中一束雷射光,會將粒子往另一束雷射光的傳播方向推進。亞希金基於這些概念開發了光鑷(optical tweezers)。他有興趣於捕捉並且移動各種大小的物體,從原子到細胞的尺度。亞希金透過這項開發工作而對雷射壓力及光的偶極力所扮演的角色有了更深入的了解,而成為了目標在冷卻並捕捉原子群的團隊成員。研究人員成功地讓原子在「光學糖漿(optical molasses)」中減速,冷卻至僅0.0003克耳文(絕對溫標)。


    要限制原子運動到接近絕對零度,和在水中捕捉更大的粒子同出一轍。1986年,亞希金利用單個緊密聚焦的雷射光束捕捉了微米大小的物體。至此,光鑷的領域就誕生了。這是一項極其高雅的技術。亞希金在開發光動量的研究過程中,逐步建立起他的深刻見解。
    亞希金也參與了捕捉原子的研究,他們的團隊利用單光束(偶極)陷阱(single-beam trap)的原理,在幾秒鐘內直接從光學糖漿中捕捉數百個鈉原子。儘管光的動量微不足道,但可能在從單一原子到多個細胞,甚至更多的物體上施予有意義且重要的力及位移。亞希金隨後開始在多種生物系統上—包含菸草鑲嵌病毒(tobacco mosaic virus)、細菌、紅血球細胞,以及藻類—且不傷害這些生物系統的情況下使用光學鑷子。在他的諾貝爾獎訪問中,亞希金回憶當他告訴同事們他在「以光捕捉生物」時,人們回道:「不要誇大其詞,亞希金。」


    但毫不誇張地說,光鑷已經徹底改變了生物科學,尤其是單分子生物物理學。雖然由光鑷所施加的力很小,其實不足以破壞一個共價鍵,但卻是用來探索蛋白質與蛋白質之間的交互作用,以及大多數動力蛋白所產生的力的理想技術。光鑷的用途廣泛,他們展示了光鑷是一個可校準的虎克彈簧(Hookean spring)。於是科學家們可以精準的量測連接在分子上的微米珠。


    最重要的是,亞希金的工作讓科學研究從探索分子群體進化成進行真正的單分子研究。不過,只專注於光鑷對生物學的影響會大大低估了它的貢獻。光鑷擴展並豐富了我們對極多樣領域的理解,包括非平衡熱力學(nonequilibrium thermodynamics)、光的動量及角動量(angular momentum)的本質,以及膠體科學(colloidal science)。如今光鑷成功地被用於懸浮光力學(levitated optomechanics),它有望能成為最精密的地面傳感器(terrestrial sensors)之一,並探測介觀粒子(mesoscopic particles)複雜的古典量子邊界。在2015年國際光電工程學會(International Society for Optics and Photonics, SPIE)的光學捕捉及操控的年會上,亞希金帶來了一條溫暖的訊息,表示他很高興能看到大家在「不斷擴大領域」的光鑷研究上發展,並「希望科學社群能繼續取得成功的研究」。


    亞希金也是一位備受讚譽的導師和老師。娥蘇拉.吉布森(Ursula Gibson)是挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology)的物理學教授及光學學會(Optical Society)的前任主席,她在貝爾實驗室實習時遇見了亞希金。吉布森在談到亞希金時說:「他豐富的幽默、和藹,以及對各種討論議題的興致,是茶餘飯後談話的精彩部分。我沒有直接和他一起工作,而是學習到他的實驗成果。在2004年的進修休假期間能使用光鑷是一種特殊的享受,進一步拓展了他開創的技術。」
    亞希金在1992年從貝爾實驗室退休,但這並沒有減弱他對新發現的熱情。他在得知自己榮獲諾貝爾獎的時候,正在他的地下室進行著改善收集太陽能的研究議題。物理學家認為光在宇宙中佔有一席之地,而亞希金看到了光與物質交互作用的潛力,並以獨特的方式加以利用。他的洞察力與天賦為後人留下了非凡的印象及資產,並且激勵了後代的科學家們。光鑷持續吸引並延伸到眾多科學領域。
    註一: 請參見物理雙月刊 2019年二月號 “聚焦的雷射光 - 光鑷物理”, “光鑷在生物系統之應用與重要性”


    作者:Kishan Dholakia (University of St Andrews, St Andrews, Scotland)、Halina Rubinsztein-Dunlop (University of Queensland, Brisbane, Australia)
    譯者:宋育徵

    延伸閱讀:
    光鑷在生物系統之應用與重要性

    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, November 2021 雜誌內 (Physics Today 74, 5, 62 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4754)。原文作者:Kishan Dholakia (University of St Andrews, St Andrews, Scotland)、Halina Rubinsztein-Dunlop (University of Queensland, Brisbane, Australia)。中文編譯:宋育徴,國立中央大學物理系助理。


    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Kishan Dholakia (University of St Andrews, St Andrews, Scotland)、Halina Rubinsztein-Dunlop (University of Queensland, Brisbane, Australia), and is published on (Physics Today 74, 5, 62 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4754). The article in Mandarin is translated and edited by Y.C.Sung , working at the Department of Physics, National Central University.





     
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