透过A-level物理考点看诺贝尔物理学奖(下)

前文再续,书接上回。昨天我们用A-level物理考点解析了两位科学家的Chirped Pulse Amplification “啁啾脉冲放大”装置(错过的小伙伴看今日二条之“大中见小 | 透过A-level物理考点解读诺贝尔物理学奖(上)”),今天我们再来看看另一位获奖者Arthur Ashkin和他发明的光镊技术(Optical Tweezer)

▼ 光的力量 - 让光成为奇迹的工具 ▼

我们知道光可以帮助我们产生视觉,可以为植物提供能量来源,可以加热物体。而这次获奖的科研成果,让光在力学领域也有了新的突破。Arthur Ashkin很早就开始进行光操控微粒的研究工作,并于1986年公开了第一代光镊。也就是说在获得诺贝尔奖时距离老爷子发明成功已经时隔32年了,而Arthur也已经年逾九旬,足见科学研究的不易。

▼ 光镊 Optical Tweezer ▼

顾名思义,光镊就是利用光,像镊子一样操纵物体;不过它工作的尺度比普通镊子可要小太多了,在纳米到微米的量级,约10^(-10) – 10^(-5)m 。这项技术现在被广泛应用于控制原子、分子和生物细胞在三维空间的位置和运动,是非常重要的实验方法。下边的视频展示了可以用光镊同时控制视野内多个微球体的位置和运动。

视频来源https://www.youtube.com/watch?v=ju6wENPtXu8

Elliot Scientific Ltd.

具体来说,光镊系统一般由照明光路和控制光路构成,会直接搭建在显微镜系统上。照明光路负责照明和采集成像所需的信号,而控制光路用来控制和限制微小物体的运动。控制光路的核心是汇聚性能特别好的激光束发射系统,我们会在后文解释它的基本工作原理。

在下边的光镊系统示意图中:红色代表控制光路,蓝色代表照明光路,操纵室(样品)位于中间,最右侧代表位置测量装置,最底部是收集成像的摄影机。

图片来源 https://www.coboltlasers.com/applications/lasers-for-optical-tweezers/

▼光镊发明中的A-level物理知识点▼

了解了光镊的基本原理,那么它的工作原理涉及了哪些A-level物理的知识点呢?现在让我们一起透过A-level物理考点看前沿科学成果。

光镊利用了高度聚焦的激光束照射物体产生的光压,产生非常微小的作用力(10^(-12)N量级)来捕获和操控小颗粒。要解释光压,我们需要了解光的波粒二象性(wave-particle duality):光既可以理解成电磁波,又可以看成一种微粒:光子(A-level 物理 14.5 Electromagnetic spectrum 电磁光谱; 25.1-25.3 Photons 光子)

从波的角度考虑,当光线穿过物体时,光线会折射(改变方向)。从微粒角度考虑,光子携带动量,并且在光照射到物体时(光子与物体碰撞),光子动量改变。因为总动量保持不变(动量守恒原理),被光照射(被光子碰撞)的物体获得部分动量。光压就是此过程中的物体单位面积在单位时间内所受到的压力(Fig.1左)。我们可以对照在经典体系中因分子碰撞容器壁产生气压(A-level 物理 10.2 Kinetic theory of gases气体的分子运动论)(Fig.1右),来帮助理解在量子体系中因光子碰撞物体产生光压。

Fig. 1. 光子碰撞物体产生光压的示意图

图片来源http://www.phys.sinica.edu.tw/TIGP-NANO/Course/2008_Fall/classnote/NBP_Optical%20Tweezers_Wen-Tau%20Juan.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure

物体在光镊中受到作用力的方向指向聚焦激光束的中心。光镊通常通过显微镜物镜来聚焦激光光束(Fig.2左)。聚焦光束的最窄点称为束腰,形成非常大的电场梯度:激光束中的电场强度(A-level 物理 17 Electric field 电场;22 Magnetic field 磁场)在中心轴处达到最大,向外逐渐减弱。 以较大尺寸物体为例,当它偏离激光束中心轴时,更接近光束中心处电磁场更强,所以相对边缘处的光线传递更多动量到物体。物体受到的合力指向光束中心(Fig.2中a)。

视频来源https://www.youtube.com/watch?v=GEVePRPx1-Q&pbjreload=10

当物体到达光束中心后,两侧光线对称,横向作用力互相抵消,物体被捕获在光镊中(A-level 物理 1.4 Vectors 矢量; 5.3 Equilibrium of forces 力的平衡)(Fig.2中b)。当物体在激光束中心附近,受到的作用力随偏离中心轴的距离线性变化,类似简单的弹簧(A-level 物理 9.1 Stress and strain 应力和应变)(Fig.2右)。同时,激光还会沿着光束传播方向对物体施加力(通过更复杂的机制),控制颗粒在束腰位置下游附近。

Fig. 2 物体在光镊中受到指向激光束中心的力

图片来源 https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=10774; https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers;http://large.stanford.edu/courses/2007/ph210/sung2/

Reference:

1.Arthur Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers, PNAS May 13, 1997 94 (10) 4853-4860.

2.Keir C. Neuman and Steven M. Block, Optical trapping, Rev Sci Instrum. 2004 Sep; 75(9): 2787–2809.

3.https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/ashkin/facts/

4.https://www.bell-labs.com/var/articles/arthur-ashkin-nobel-prize/

5.https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=10774

6.https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers

7.http://www.phys.sinica.edu.tw/TIGP-NANO/Course/2008_Fall/classnote/NBP_Optical%20Tweezers_Wen-Tau%20Juan.pdf

8.http://genomics.princeton.edu/shaevitzlab/OT_Practicle_Guide.pdf

9.http://www.physicscentral.com/explore/action/tweezers.cfm

这两天我们带着大家用A-level物理考点简单解析了三位科学家在光学领域的伟大发明。有没有觉得科学家的研究离自己慢慢变近了,学好A-level物理理解获得诺贝尔奖的最前沿科学成果也不在话下!

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  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20181007G1ICT100?refer=cp_1026
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