2018年诺贝尔物理学奖奖励激光物理领域的突破性发明。阿瑟·阿什金因为“光镊及其在生物系统的应用”获得其中一半,另一半授予杰拉德·莫雷和唐娜·斯特里克兰,以表彰他们“生成高强度超短光脉冲的方法”。本文对此项诺贝尔奖的科学背景、内容和意义作较详细的解读,并阐述一点个人理解和评论,包括这次诺贝尔奖未强调的阿什金的光囚禁思想对于超冷原子物理的意义。
激光的基本性质,如相干、平直、单色和高强度等等已经直接导致了很多应用,激光光谱的研究也获得过诺贝尔奖。阿什金自学生时代起就对光压感兴趣,激光发明之后,阿什金就用激光研究光压。光压也叫辐射压,或者说光力,也就是光射到物体上带来的力。阿什金用光镊实现了囚禁和操纵病毒、细菌、活细胞,深入细胞内部而不破坏细胞膜,测量细胞器微观输运的驱动力。
阿什金的光囚禁思想对于超冷原子物理有特殊的贡献。原子的冷却与囚禁导致了超冷原子物理的发展。1995年,Carl Wieman和Eric Cornell的研究组以及Wolfgang Ketterle的研究组实现了玻色爱因斯坦凝聚。早期的超冷原子研究大多使用磁阱或者磁光阱。后来,光阱或者说光囚禁被用来研究超冷原子,导致很多丰富的物理。
莫雷和斯特里克兰的啁啾脉冲放大技术导致超短激光的强度暴增,为基础和应用研究带来很多途径,并在工业和人类生活中广泛应用。啁啾脉冲放大的技术要点如下。首先将超短激光脉冲在时间上拉长几个数量级,然后在激光材料中安全地放大。最后在时间上压缩回原来的长度,已经放大过的功率峰值随之变得非常高。