一肖中特免费公开资料诺贝尔物理学奖再度授予光学领域,获奖者曾

2015-04-08 来源:未知

北京时间10月2日下午5点45分,瑞典皇家科学院公布了2018年诺贝尔物理学奖获奖者名单。美国科学家Arthur Ashkin、法国科学家Gérard Mourou和加拿大女性科学家Donna Strickland三位物理学家分享了这一奖项。三人的获奖理由是“用于激光物理领域的突破性发明”。

尽管目前量子信息学发展迅速,占据了物理学最高水平期刊论文的半壁江山,但今年的诺贝尔物理奖仍然没有颁给呼声较高的量子信息学领域,而是再度颁给了较为传统激光光学领域,不免有些“爆冷”。据统计,仅21世纪以来,就有六次诺贝尔物理学奖与光学有关。

55年首位女性获奖者

这次奖项一半授予Arthur Ashkin,表彰他所发明的“光学镊子”及其在生物系统中的应用。这把光镊,如今已成为科学研究不可或缺的工具,例如对细胞和DNA分子的精确操控。就在两个多月前,日本科学家开发出了利用光自由操纵人类的内源性蛋白定位的技术,在全球首次利用光成功操纵了细胞分裂(纺锤体)的排列。我国清华大学科学家等和其他地区科学家一起,正在探索利用“光镊”操控超高真空环境下纳米大小的晶体,探索宏观物体的量子力学效应。除了基础前沿研究领域,“光镊”技术也被广泛用于新材料加工,飞秒激光眼科手术等工业和医疗领域。

诺贝尔物理奖的另一半授予法国高等科技学院(ENSTA)极端光研究所所长、巴黎综合理工学院教授Gérard Mourou和他的学生、加拿大滑铁卢大学的国际著名光学专家、美国光学学会前主席Donna Strickland,他们发明了能生成高强度,超短光脉冲的方法,也就是啁啾脉冲放大技术(CPA)。

“啁啾”,顾名思义是鸟鸣声。在唐代王维诗《黄雀痴》中有出现:“到大啁啾解游颺,各自东西南北飞”。而啁啾脉冲放大技术是实现超强超短激光脉冲放大的核心技术,也是实现高峰值功率激光的最佳手段。

激光是科学研究的重要工具,许多研究需要将短脉冲的功率以几何级数放大,然而峰值功率过强的脉冲光会损害光放大的晶体媒介。科学家就想出了一个非常聪明的办法,先将短的无啁啾脉冲拉伸成长的啁啾脉冲,降低其峰值功率,等放大后,再压缩回短的无啁啾脉冲。这就是啁啾脉冲放大技术的由来。

这也是55年后,女性再次获得诺贝尔物理奖。此前,历史上仅两位女性获得此项殊荣,最近一次是在1963年,德裔美国女物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶因发展了解释原子核结构的数学模型获得物理学奖。1903年,玛丽·居里夫妇一同获得诺贝尔物理学奖。

此外,美国科学家Arthur Ashkin已经96岁高龄,创造了诺贝尔奖得主的最高年龄纪录。此前诺奖得主中最年长的是美国科学家雷蒙德·戴维斯,他2002年获奖时已88岁高龄;而物理奖的获奖者平均仅55岁。

来自上海张江的“最强光”

值得一提的是,Gérard Mourou教授还担任上海光机所“中科院爱因斯坦讲席”教授。2015年4月,以“超强激光光源及其前沿应用”为主题的第S26次香山科学会议在上海举行,包括Mourou教授在内的多位著名国际同行学者参加会议。Mourou教授充分肯定了上海建设10拍瓦乃至更高量级的超强激光光源的意义。

2016年8月,上海张江综合性国家科学中心传喜讯,超强超短激光实验装置(SULF)成功实现5拍瓦激光脉冲输出,达到国际同类研究领先水平。当时,在张江超强激光光源联合实验室里,装置主要研发人员、上海光机所梁晓燕研究员向第一财经介绍了该激光装置所采用的基于大口径钛宝石晶体的啁啾脉冲放大(CPA)的技术路线。

“主放大器输出的数纳秒级啁啾脉冲经过采用大口径光栅的脉冲压缩器压缩至亚30飞秒脉冲,压缩后激光脉冲的峰值功率最高可达5.3拍瓦,这是目前已知的国际最高激光脉冲峰值功率。它可以提高时间分辨率,由此可导致新的科学和技术突破。”梁晓燕当时对第一财经记者表示。

2017年2月《科学》杂志评述文章引述Mourou教授的评述称:“中国科学家打破了最高激光脉冲峰值功率的世界纪录。”去年10月,SULF实现10拍瓦放大输出,是目前国际最高激光脉冲峰值功率。

中科院上海光机所所长李儒新对第一财经表示:“超强激光光源研究正处于取得重大科技突破和开拓重大应用的前夜,国际上竞争态势异常激烈,我国在超强激光装置的研制方面有很好的基础和特色,该领域是我国科学家可望取得重大突破并在国际上跻身最前列的前沿科技领域。”

他还介绍称,SULF装置将继续升级,其输出的各种波段的辐射脉冲,其时间宽度会从飞秒级,提高到阿秒(10的负18次方秒)级、甚至仄秒(10的负21次方秒)级,将开辟光波电子学与信息新技术、超快光核物理研究的新学科领域。

“在生命科学领域,超强超短激光的用处在于我们在时间尺度方面会更短,有可能会看到蛋白质里面原子运动的动态过程。”李儒新告诉第一财经记者,“就好像运动的人如果用普通的闪光灯拍下来会糊掉,但是我们的闪光灯很快,所以可以抓住原子的运动过程。这将把生命科学领域带入一个崭新的时代。”

由于超强超短激光能产生极端条件,所以应用也非常广泛。科学家可以利用这特殊的激光用于研制电子加速器和超快X射线源;通过制造反物质、探测暗物质,来研究天体物理和宇宙起源,还有望替代“杀癌利器”质子重离子治疗仪中的加速器。

中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣研究员告诉第一财经记者:“在现在的粒子加速器往往需要占用一间十几米长的房间,而激光加速器则可使加速器的体积缩小到可以放置在写字台上。现在开展的质子刀治疗,需要造一座专门医院,未来可能质子刀会像CT一样,成为医院中的一台常规设备。这是因为产生高能质子的加速器变成一台电脑大小的仪器了。”

据冷雨欣介绍称,Mourou教授长期支持中国的超强超短激光研究,他也是上海光机所多个项目的国际顾问,最近基本每年都要来实验室交流访问。

可“撕裂”真空的激光

就在去年7月上海召开的极端光物理线站(SEL)国际专家论证会上,由Mourou教授等10余位国际著名学者组成的专家组讨论了中国一项雄心的计划与实施方案。

这项方案被刊登在今年1月出版的《科学》杂志发表了题为“The Light Fantastic (神奇的光)”的新闻评论文章中,该文副标题是“中国和其他地方的物理学家正在竞争建造强到可以撕裂真空的激光”。

根据该方案,中国的研究人员希望在SULF装置的基础上,再研制一项“硬X射线自由电子激光装置”,其中还包含SEL100拍瓦激光研制计划。这个计划被Mourou认为可开展真空量子电动力学(QED)现象探测、黑洞物理模拟等诸多新物理研究,带来众多科学发现机会,同时还将极大拓展硬X射线自由电子激光装置的研究领域,并提供多学科新发现的独特机会。

Mourou教授与上海光机所的渊源最早要追溯到2011年。那年3月,他首次来上海光机所作报告,并介绍了欧洲极光基础设施(ELI)计划的最新研究进展和相关学科领域的研究现状与发展趋势。Mourou是欧洲ELI设施的发起者和领导者,该设施是2009年,法国、英国、捷克、匈牙利和罗马尼亚等5个国家提议建立的,ELI设计的峰值功率足以同时点亮十万亿个灯泡。

不过,就在去年,在ELI庞大的激光装置计划中,一台功率达到史无前例的200拍瓦的雄心勃勃的“巨星”装置被叫停。原因是ELI的科学顾问委员会建议推迟有关项目的研究工作,直到另外三台10拍瓦激光器能按照预期完全运转起来,而这将会令这一整体计划推迟到2022年。

Mourou教授认为暂停200拍瓦激光器的提议是错误的。他认为,这种超高能量密度的激光将会在基础研究领域带来开创性的突破。“在这种能量强度下质子将会接近甚至达到光速,‘破坏’真空,从而能够利用它研究量子力学揭示的真空中各种虚粒子。”Mourou教授当时表示。他还认为,推迟发展更先进的高功率激光技术将会把这个领域的领先地位拱手相让给其他国家。

目前中国、韩国、俄罗斯和美国都在规划建设更强的激光设施,Mourou教授指出了其他国家的进步。不仅仅中国已经完成了10拍瓦的激光装置建设,另外100拍瓦的激光装置也在筹划当中。日本、俄罗斯、美国等国也在进行超高功率装置的研制。美国科学家计划升级其位于纽约罗切斯特大学的OMEGA EP激光器,使其功率达到75拍瓦。

一些估算表明,欧洲的200拍瓦激光器项目将会耗资约10亿欧元。但是Mourou正在进行一项技术研究,通过缩短激光脉冲将10拍瓦激光器改造成100拍瓦激光器,他表示自己这项研究仅需花费3千万欧元。他还说道:“我们之前认为这第四套装置将会造价高昂,但是如果我们足够聪明,我们能够用少得多的经费完成目标。”

Mourou教授尽管已近耄耋之年,但他身材修长,一头飘逸的白发,而且具有非常典型的法国人的浪漫气质,懂得生活。他喜欢开着敞篷车到处兜风,还长期坚持游泳。Mourou教授此前在法国国家科学研究中心应用光学实验室担任主任,据以前在他实验室工作过的上海理工大学刘一教授回忆道:“他很特立独行,我记得他冬天喜欢带着红色围巾,开着宝马小跑车,非常拉风。

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