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《南方xx》： 光子带来的源动力 2010-02-04

美国杜克大学光学研究中心博士生简宇川和他的同事们制造了一块平板,这块平板边长2微米,上面布满圆孔,圆孔构成了一个六边形,看起来就像是蜂巢的一面。他们用这个结构奇特的平板来“抓住”光子。外来的光子一旦进入圆孔当中,便无法逃脱。这样一来,光子的能量就变得非常集中,简宇川等人还可以利用平板调节光子的行为。

这块平板被称为“光子晶体”。简宇川等人设计出的是世界上{dy}台强大的运行在纳米量级的光操作系统。与他合作进行此项研究的包括哈尔滨工业大学深圳研究生院肖君军博士和复旦大学表面物理实验室黄吉平教授。

美国《光电谱》杂志报道称,这是理想的下一代近场光学镊子,因为它们体积小巧而且制造工艺成熟。“这种设备可以很容易地操作细小的纳米结构,可以用来作为生物传感器以及细胞、DNA的提取,并且可以用在分子筛上面。”简宇川说。他们理论性的论文已经发表在去年9月的《物理化学杂志C》上,实验部分的论文也将在近期发表。

在英国《自然》杂志1月7日发表的文章《2020远景》中,激光技术被认为是未来十年里具有巨大前景的18个领域之一。美国斯坦福大学光子研究中心的托马斯·巴尔(ThomasBaer)和罗彻斯特大学物理系的尼古拉斯·比格鲁(NicholasBigelow)共同撰文,预测到2020年,激光输出光斑将小到一个纳米,激光输出脉冲将比它通过一个原子所需时间还短。这意味着高精度、高准确性的激光微操控变得更加现实。

乘着星光去旅行

光学动力(简称“光力”)所产生的现象早就被人们所注意到。当彗星从遥远的太阳系边缘运行到接近太阳的位置时,彗尾会出现。彗尾就产生于光子对彗星物质的撞击。

光力通常非常微弱,典型的光力大小在“皮牛”量级,大约相当于我们手提一公斤苹果感受到的重量的十亿分之一。但这并没有影响到人们幻想以光为动力进行旅行。早在17世纪,就有人提出了“太阳帆”的最初概念。开普勒和俄国的火箭研究先驱弗里德里希·灿德尔(FriederichTsander)都提出,可以仅仅利用太阳光的能量来进行太空航行。但在当时,并没有一种材料结实耐用并且薄到可以实现这一目的。

近些年来,美国、德国和日本都曾尝试向近地轨道发射“太阳帆”卫星。2005年,美国行星学会曾借助俄罗斯火箭发射“宇宙一号”卫星,然而火箭在发射过程中便失败了。2008年,美国宇航局(NASA)又部署了一个新的项目,叫做“纳米帆-D”(NanoSail-D)。“纳米帆-D”是一个微型卫星,体积只比一块面包略大。它只携带了几块电池为无线电和计算机供电,除此之外再无任何能源。它携带的太阳帆展开后有100平方英尺,厚度比纸还要薄,表面镀有铝。按照计划,太阳帆将在卫星进入轨道三天后打开。

然而,火箭在升空两分钟后出现故障,“纳米帆-D”未能进入近地轨道。又一次太阳帆的努力失败了。

用光做成的镊子

1960年,激光的发明使人们对光的利用进入到一个崭新的阶段。有了激光这种高亮度的新光源,光力可以被大大提升,并开始显示其强大的生命力。从那以后人们开始对光力及其相关应用进行了全面和深入的研究。

利用光力驱动星际航行也许还需耐心等待,但是利用它来移动极为微小的物体,在今天的科学研究中则已经是家常便饭了。美国现任能源部部长、劳伦斯国家实验室主任朱棣文在1985年前后与同事们在贝尔实验室发明了用激光冷却和囚禁原子的方法。他们利用的就是光力的原理,他们的这一成果后来获得了1997年的诺贝尔物理学奖。

在同一时期,人们也开始探索光对生物颗粒和半导体粒子的动力学效应。1986年贝尔实验室的科学家阿瑟·阿斯金(ArthurAshkin)成功地利用一束强汇聚激光束实现了对介电微粒的三维捕获。这一发明被形象地称为光学“镊子”,成了这一尺度范围的粒子特有的操控和研究手段。

光力导致的机械运动可以实现“冷却”宏观目标,使得量子物理效应更加容易操控和观测。微纳米尺度三维高精度光镊子的实现可以应用在对生物细胞、DNA分子的操控上。

阿斯金曾将光镊成功用于抓取大肠杆菌的生物实验上。光镊实现了对微小物体的无接触、无损伤操控。自那以来,光镊不但在生命科学领域,在其他涉及微米和纳米粒子的研究领域也都取得了应用。

1999年,日本一组科学家使用光镊成功给长分子打了个结,以此来研究蛋白质的相互作用。2001年,美国得克萨斯大学奥斯丁分校的一组科学家,对光镊子的相关技术加以改良,造出了可以拉扯细胞的“光拉扯器”。利用这项先进的激光细胞操控技术,科学家对于红血球这样微小目标的弹性系数进行了测量。这样的研究被认为有助于回答一些细胞动力学上极为基本的问题。“最近几年,光力的研究又不断有新的突破,涉及物理、化学、材料、机械、生物、医药等领域,是21世际跨学科研究的前沿领域。”黄吉平说。

光动力的未来十年

简宇川等人的光子操作平台将控制的尺寸继续缩小,突破了以往的细胞尺度,达到了纳米级别。“纳米尺度对象的操作要求更强的光囚禁效果,通常使得其超过了正常的衍射极限,这正是我们所达到并超越的。”简宇川说。

他认为,光子晶体板构筑的空腔结构提供了一种非常易于集成化的、在纳米尺度容易实现的光学镊子模式,它在半导体设计和制造上拥有大量的优势。

与传统的阿斯金型光学镊子不同,这种类型的近场光学捕获效应工作于通常的衍射极限以下。“因此,我们实际上已经开发出一种新型的光学镊子,它可以灵活地进行调节,并且在当前先进的纳米技术条件下可以比较容易地制备出来。”简宇川说。

这种新型的近场光镊还可以用于目前的集成电路。集成电路中的电子容易控制,但能量耗散大。相比之下,光子能量集中、易于获得,但问题是不容易控制。新型光镊希望能解决后者的问题,使人们能控制光子并利用电子,生产出光子驱动的半导体。

《光电谱》杂志报道说,复旦大学和杜克大学的联合研究组认识到仍有许多具体工作要做,以弥合在目前的基础研究和未来的工业应用之间的差距。他们的下一步计划是考查一系列光子晶体材料阵列,看是否可以用于并行和大规模的纳米器械操纵。另一个计划则是探讨更宽频谱带上的运行是否可能。

激光从发明到今天刚好走过了50年。“就像1960年的发明者一样,我们可能仍然低估了激光的潜力和它将带来的冲击。”巴尔和比格鲁说。

几十年前,朱棣文用来捕获原子需要用好几束激光,未来10年人们也许就能用单束激光操控一个一个的分子和原子。随着“近场光镊子”的提出,我们离这一目标已经越来越近,简宇川相信。

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