物理新知–光學「糖漿」與「鑷子」
中大物理系

朱棣文伉儷與中大物理系師生合照
圖一   朱棣文伉儷於 98 年 11 月 12 日與中大物理系師生合照。
九七年諾貝爾物理獎得獎人,史丹福大學朱棣文教授應香港中文大學的邀請,來港主持「偉倫傑出學人講座」,在三月廿五日以得獎研究 -「激光致冷技術與原子類粒子之捕捉」為題舉行公開演講。世界各地的華人為朱教授獲得諾貝爾獎的殊榮感到高興和鼓舞。

激光如何致冷?捕捉原子類粒子是甚麼回事?朱教授的研究成果又有甚麼意義和應用價值呢?

原來物體的溫度高低表示其中原子或分子隨機運動平均速率的快慢。令粒子速率減慢便能使系統降溫。普通氣體隨著溫度下降,便會變成液體和固體,物理學家很難研究和操控單個原子。激光致冷術用於真空中非常稀薄的原子氣體系統,避免了上述的問題。不少人一見「激光致冷」就覺得奇怪:激光給系統輸入能量,為何反而有致冷效用呢?這正是此項科技的巧妙之處。大家知道,只有當光子的能量精確地符合原子中兩個能級的能量差,才能被原子吸收。要達至冷凍效果,我們首先要精確地調校激光的頻率,使它略低於原子最大吸收的頻率,然後讓激光與運動中的原子迎頭相撞。由於多普勒效應,對迎面飛來的原子而言,激光的頻率提高了(藍移),可為原子吸收。從動量變化來看,由於光子具有一定的動量,吸收迎頭而來的光子令原子減速。當然,原子受激發後會回到基態而發射出一個光子,產生反衝,就好像開槍的後座力一樣。但由於反衝隨機地出現在任意的方向上,多次作用之後有所有反衝的效應便互相抵銷。結果,與激光反向運動的原子減速了。原子的運動減慢,也就是冷卻了。根據上述原理,朱教授及其同事,在稀薄的納原子氣體周圍相互垂直的三個方向上安裝三對反向傳播的激光束,使原子冷卻到萬分之二凱氏度 (240K)。原子在激光場中的行為就好像石子穿過糖蜜一樣,受到黏性的阻力而減速,所以他們將這種激光致冷裝置稱為「光學糖漿」(optical molasses)。

在這一百年來,物理學家巳經完全掌握了運用電磁場捕捉和操控帶電粒子的技術,但是學會捕捉中性粒子卻只是最近十多年的事。電磁場可以引致中性粒子極化而產生偶極矩,因此也可以用來建造陷阱捕捉粒子。近年來科學家設計了光陷阱、磁陷阱和磁 - 光陷阱等。朱教授等人設計的「光學鑷子」 (optical tweezer),就是利用單束聚焦激光來捕捉某些中性粒子,其中包括天然和合成的高聚合物,例如蛋白,DNA 和聚苯乙烯的單個分子與及細胞和生物組織中的粒子等。

朱教授在中大的演講中詳細地講解他的研究成果及應用,其中包括近年來在科學界備受重視,並經大眾傳媒廣泛報導的幾項科技新成就,例如銣原子在超低溫下達成波色 - 愛因斯坦凝結 (Bose-Einstein condensation)、世上第一個使原子產生集體量子行為的「原子激光器」的誕生,都是激光致冷技術的成果。這種技術也可以用來進行一些具有基本科學意義和重大應用價值的物理常數測量。新技術使測量精度大大提高,並可以應用於許多不同的領域,例如高分辨光譜學,提高銫原子鐘精確度的研究,以測量重力加速度及分佈協助探測地下礦藏,與及高能物理學的一些基本問題。把光學鑷子應用於生物和高分子科學也是朱教授極感興趣的領域。在不穿破細胞膜 (壁) 的情況下,科學家可以用光學鑷子可以操控活細胞中的各個部分,例如染色體和遺傳基因。這技術為遺傳工程學和其他生物科技的研究開拓了全新的領域。