以貓毛摩擦的玻璃棒，是如何吸附小東西的。帶正電的玻璃棒產生一電場，使得物體產生極化，物體正電荷的平均位置會離玻璃棒較近。這不對稱的電荷分布稱為具有偶極距。在此情況下，電場對電偶極負電荷的吸力大於對偶極正電荷的斥力，結果物體便被拉往電場強度最強的區域。如果玻璃棒帶的是負電，則會感應相反極性的偶極距，而物體仍被吸往電場強 度最強的區域
第
21章水和冰_百度文库
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食品化学第二章水_百度文库
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201005011756［科學月刊］ 雷射致冷──原子捕捉
【摘要】朱隸文係美國史丹福大學物理教授、加州柏克萊大學物理博士、美國國家科學院院士、榮獲1993年沙國國王費珍科學獎。
在你翻開本雜誌的下一頁前，想想「翻頁」的這個動作。當你想翻某一頁時，你必須一隻手指放於紙的上方，另一隻在下方，而手指 與紙張間的距離約等於原子的半徑，此時，手指表面的電子與紙張表面的電子相斥，電荷重新分布產生電場，使得你能捉住在手指間的那一頁。也就是說，外加原子尺度的電力便可以捉住巨觀下為電中性的物體。
但是，要捉住在原子尺度為電中性的物體，就不容易了。利用電場及磁場可輕易地施力於帶電粒子上，事實上，早在一世紀前，科學 家就已利用電磁力操控空間中的帶電粒子如電子和離子等。但在最近數年，科學家才有辦法對空間中的中性粒子控制自如。
研究人員更進一步發展出利用雷射精確捕捉及操控原子或微米粒子（106m）的設備。這些發展迅速地廣泛應用於各研究領域。我 的研究小組及其它的研究小組將原子冷卻至接近絕對零度─在此狀況下，我們可檢驗物質的量子狀態及光與超冷原子間的特殊交互作用。我們並開始著手發展原子鐘 及建立極度靈敏的加速器。我們的技術也適用於像聚合物等的單一分子。此外，我們也發明「光鑷子」，不需刺穿細胞膜而能捉住並移動細胞內的胞器。
雷射冷卻技術的發展
在學會利用雷射光控制空間中中性粒子之前，科學家是利用磁場操控中性粒子，即以外加磁場聚焦原子束而捕捉原子。學會利用雷射捕捉原子後，科學家便轉向研究利用功能強大的雷射技術更精準地操控原子。
最早發展成功的中性粒子捕捉是在1987年，Bonn大學的Wolfgang Paul與其同事的磁場捕捉中子，七年後，國家標準局的William D.Phillips與其同事，也利用相同的原理捕捉原子。
磁場捕捉適用於具有磁性的小棒狀類磁鐵粒子，更精確地說，是粒子要具有一小磁偶極距。具有磁偶極距的粒子置於強度隨空間變化 的磁場中，依偶極距的指向，粒子會往磁場強度最強或最弱的部分移動。所以，若一磁場的磁場強度具有局部極小值，磁偶極最初的指向是向磁場強度最弱的部分， 則此磁偶的指向會一直維持在向磁場強度最弱的方向，此即磁場捕捉的原理。
除磁場外，雷射光也可捕捉原子。光因具有動量，可施力於原子或其它中性粒子。以一特定波長的光照射原子，原子會持續吸收光子 及再釋放光子。當原子吸收光子時，會受到沿光前進方向的動量變化，這些動量變化合成一「散射」力量，其力量的強度決定於每一個光子的動量及每秒鐘散射的光 子總數。雖然，原子每吸收一個光子，必須再釋出的個光子。但因為光子的釋出並沒有特定的方向，動量的改變量平均為零，釋放光子的散射力量平均為零。所以吸收及釋放的淨效應為將原子沿光前進的方向推。
這個散射力的強度相當弱。如果一個原子吸收一個光子，其造成的速度改變量，與室溫下氣體原子的平均速度相比，是非常微小的。（速度的改變量約一秒鐘一公分，相當於螞蟻爬行的速度，而室溫下原子的速度相當於超音速噴射機的速度。）
1933年O.R.Frisch的鈉原子束偏轉實驗第一次偵測到此散射力量。將鈉置於一容器中，令容器中的鈉蒸發，氣態的鈉原子由容器中的洞逸出來，再經過一連串的狹縫，形成原子束，然後以鈉燈的光撞擊原子束，將原子束偏轉。雖然平均來說，每個鈉原子僅吸收一個光子，但 Frisch已能偵測到原子束的些微偏轉。
Frisch的方法造成的散射力仍太微弱，不足以捕捉原子。數十年之後，研究人員發現原子散射光子的速率可以增加到每秒鐘超過一千萬個光子，造成的散射力量相當於地球重力的十萬倍。1985年，國家標準局由Philips和JohnL.Hall領導的兩研究小組，利用此散射力量將原子束停止，而將原子的溫度由絕對溫度300度（室溫）降到絕對溫度0.1度。這是第一個展示這種散射力量的重要實驗。
利用雷射光所能獲致的散射力的強度帶給科學家新的希望，即此散射力量不僅可用於停止原子束，也可用於捕捉原子。但是，嘗試架構數道雷射光以收集原子並將原子集中於空間中的某一區域的實驗，結果似乎是註定要失敗的。因為根據已知的光學Earnshaw定理，如果散射力是正比於光 的振幅強度，則任何結構的光都不能造成光陷阱，因為任何進入捕捉區域的光最後一定會散開，一定會造成往外方向的力量，所以無法架構這數道雷射光使其只產生向內的力量。
幸運地，原子的捕捉可以基於光施與原子的另一種力。要了解這個力量，可先考慮帶正電物體，如以貓毛摩擦的玻璃棒，是如何吸附小東西的。帶正電的玻璃棒產生一電場，使得物體產生極化，物體正電荷的平均位置會離玻璃棒較近。這不對稱的電荷分布稱為具有偶極距。在此情況下，電場對電偶極負電荷的吸力大於對偶極正電荷的斥力，結果物體便被拉往電場強度最強的區域。如果玻璃棒帶的是負電，則會感應相反極性的偶極距，而物體仍被吸往電場強 度最強的區域。
利用這個偶極作用力，便可將原子捕捉於有空間局部極大值的電場中。但這樣的電場是否能由適當的安排電荷產生呢？對固定電荷的 系統，答案是不；但對動態系統，的確可以產生具空間局部極大值的電場，其中，光是一個很好的選擇。光是由快速振盪的電場及磁場組成，所以聚焦的雷射光能產生具局部極大值的電場，電場與原子交互作用，改變原子與電子分布，產生感應電偶極，原子被吸往電場強度最強的區域，如同帶電玻璃棒吸附小東西般。
電場的快速改變並不會造成問題。當電場改變極性時，原子產生的感應電偶極距同時也改變極性，只要電場改變的速率較原子的自然效率為慢，電偶極距仍維持電場方向的指向，原子仍持續地移往電場的局部極大值區域。因此，電場的局部極大值區域就如同一光陷阱，而偶極作用力將原子限制於此光陷阱中。1968年，Vladilen S.Letokhov首先提議利用偶極作用力以光捕捉原子，10年後，AT＆T Bell實驗室的Arthur Ashkin提出較可行的建議，用聚焦的雷射光束而非一般的光捕捉原子。
雖然偶極作用力捕捉在概念上非常合理，但實際操作上卻有困難。要降低散射力量到最小值，光的頻率必須低於原子的吸收頻率。但 在這些頻率區域，捕捉力卻太小，即使原子冷到絕對溫度0.01度，仍不能將原子限制於光陷阱中；而且即使置更冷的原子於光陷阱，大約只能維持數毫秒，原子 就會因光的散射而逸出光陷阱；再則，光陷阱大約僅0.001立方毫米大，要將原子置入光陷阱中，也不是件容易的事。
雷射冷卻技術的應用
基於上述理由，光學捕捉似乎是項艱難的挑戰。直到1985年，成功地利用雷射在各方向冷卻原子，而且冷到比停止原子束更低的 溫度後，光學捕捉才有較明顯的可行性。雷射冷卻的概念為Standford大學的T.Hansch及Arthur於1975年首次提出，同年 Washington大學的D.J.Wineland及H.G.Dehmelt也提出一類似的冷卻計畫，冷卻被捕捉的離子。
研究人員預測，用頻率略低於原子吸收峰值頻率的雷射光，從兩側照射原子，可冷卻原子。如果原子沿某一束光的反方向運動，則以 原子的觀點，光的頻率會增加，而可能被原子吸收，光子被原子吸收產生散射力量將原子減速。
而另一束與原子運動方向相同的光，同樣地，以原子的觀點，與原子運動方向相同的光，光的頻率會減少，因此原子比 較不可能吸收，所以不產生散射力量。結果，兩束光的淨效應產生與原子運動的方向相反的散射力量。而若原子是沿另一相反方向運動，仍是受到與運動方向相反的 散射力量而使原子減速，此即這個概念的精妙處。以三組相向的光沿三個垂直軸照射原子，則能在三個方向冷卻原子。
會黏著原子的『光學麥芽糖』
1985年，Ashkin、Leo Hikkberg、John E.Bjorkholm、AlexCable及我在AT＆T Bell實驗室成功地將原子冷卻到絕對溫度240×10-6度。因為 光場的作用類似黏滯力，我們便稱這產生黏滯力的雷射光束的組合為「光學麥芽糖」。雖然不算是捕捉，但已能將原子限制在黏性介質中達0.5秒鐘之久，直到最 後原子逸出冷卻的雷射光束。
「光學麥芽糖」的發展，解決雷射捕捉的3大問題。第一，冷卻原子到極低的溫度，可以減少原子的熱運動，使原子較容易被捕捉； 第二，只要將捕捉光聚焦於光學麥芽糖的中心，當原子隨機進入捕捉光束後，就陷在其中，因此可以輕易解決如何將原子置於光陷阱的問題；第三，互相交換冷卻光 及捕捉光，可以降低捕捉光的熱效應。光學麥芽糖的技術成熟一年後，終於成功地用光捕捉原子。
即使利用我們第一次光捕捉中，將原子置於光陷阱的技術，製造較大捕捉體積的光陷阱仍是可行的。若光陷阱能利用散射力量，則所 需要的光場強度較低，便能製出較大捕捉體積的光陷阱，但在這之前，必須要先能避開光學Earnshaw原理造成的限制。對如何設計這樣的光陷 阱，M.I.T.大學的David E.Pritchard和Corolado的Carl E.Wieman提出一重要的線索，他們指出外加一隨空間變化的磁場或電場，則雷射光造成的散射力量不必然正比於光的強度。
讓原子逃不掉的『磁光陷阱』
基於這個發現，Paris Ecole Normale Superieure的Jean Dalibard提出「磁光」陷阱的建議，利用圓偏極化的光外加一微弱磁場。1987年，Pritchard的小組和我在AT＆T的小組合力建造了這樣的 磁光陷阱。3年後，Wieman的小組接著利用便宜的半導體雷射，捕捉玻璃試管中的原子。能捕捉密封試管中的原子意味著，一些稍有種類的原子，像放射性同 位素等，也能以光學的方法操控之。目前，磁光陷阱是最廣為應用的光陷阱。
在光陷阱發展同時，雷射冷卻也有快速的進展。Philips和同事發現，在某些條件下，光學麥芽糖可將原子溫度冷卻到遠比既 有理論預測還低的溫度。這個發現促使College de France的Dalibard Claude和Cohen-Tannoudji及Ecole Normale研究小組與我在Standford大學的研究小組提出新的雷射冷卻理論，以原子與光場間的相互作用解釋雷射冷卻。目前，原子的溫度可降低到 原子平均速度等於3個半反衝光子的溫度，若是銫原子，這個溫度低於絕對溫度3×10-6度。
在光學麥芽糖之後，Cohen Tannoudji、Alain Aspect、Ennio Arimondo、Robin Kaiser、Nathalie Vansteenkiste及Ecole Normale所有的研究人員發明一非常精巧的架構，將氦原子降到原子平均速度小於1個反衝光子的溫度，目前已成功地在一個維度上將氦原子的溫度降到絕對 溫度2×10-6度，目前正研究將這個技術擴展到二維及三維。
這種冷卻原子的方法是將原子捕捉於特定速度的能態，與我們的光捕捉將原子捕捉於特定空間的方法，大致相似。當原子散射光子 時，原子反彈造成原子速度的改變。法國人的實驗即是讓原子反彈後，躍遷至由兩個速度接近0的能態組成的量子能態。一旦跳到該能態，原子散射光子的機率便大 為降低，意謂原子不再散射光子而改變速度，即原子被捕捉於這個速度的能態。如果原子不正好躍至此能態，原子持續散射光子而有較大的機會離開這個低速度能 態。所以，這種冷卻原子的方式是讓原子隨機地跳到「速度捕捉」這個速度接近0的特定量子能態而將原子冷卻。
操控原子活動的法寶
除了冷卻及捕捉原子外，研究人員也製造出各樣的原子透鏡、原子反射鏡、繞射光柵等操控原子的元件，甚至製造出沒有光學對應物 的元件。Standford及Bonn大學的研究員完成「光煙囪」，將一群熱原子轉換成控制良好的冷原子流。Standford大學的研究員還製成「原子 蹦床」----一層從玻璃表面延伸的光，原子在這層光上蹦跳；若玻璃表面為曲面，則結合光及重力的作用，還可形成原子捕捉陷阱。
明顯地，我們已學會如何的操控原子，但這些技術到底能幫我們做什麼？
利用氣態形式的冷原子，物理學家可研究在極低溫下原子彼此間的交互作用。根據量子論，原子為波長等於普朗克常數除以原子動量 的物質波。當原子溫度降低，動量減少，波長增加。在夠低的溫度時，原子波長的平均值會約等於原子間的平均距離。在此低溫高密度的情況下，量子論預測部分原 子將冷凝到單一的量子基態，這種物質的特殊形態，稱為玻斯─愛因斯坦凝聚態，早被預測但尚未於氣態原子觀察到其存在。M.I.T.的Thomas J.Greytak和Daniel Kleppner及Amsterdam大學的Jook T.M.Walraven目前正嘗試利用磁場捕捉的一群氫原子造成玻愛凝聚態，同時也有其它的研究小組正用雷射冷卻的鹼金族原子和銫或鋰原子進行同樣的實 驗。
原子噴泉
操控原子的技術同時帶給高解析度光譜新的機會。結合數種原子操控的技術，Standford大學的研究員發明新 的設備，可以非常精確地量測原子的特徵光譜。我們設計了發射超冷原子的原子噴泉，原子從原子噴泉向上射出，再受重力作用轉向，噴泉的原子以磁光捕捉的方法 收集0.5秒鐘，0.5秒鐘後，約一千萬個原子以每秒鐘2公尺的速度往上射出，在其軌跡的頂點，2束微波脈衝於不同的時間偵測原子，適當調整微波的頻率， 這兩束微波脈衝造成原子從原先的量子態躍遷到另一量子態。我們在第一次實驗中，以2×1011的解析度，精確地測量原子這兩能態的 能量差。
原子噴泉如何達成這麼高的解析度？首先，原子受重力自由落下，能夠避免其他可能干擾能階的效應，其次，這種測量的準確度是受 限於海森堡的測不準原理，即量測能量的解析度最小為浦朗克常數除以量測時間。在我們的情況下，量測時間是指兩微波脈衝間的間隔，利用原子噴泉，原子不受干 擾，量測時間可長達一秒鐘，是室溫下原子不可能造成的。
既然原子噴泉能準確量測原子能階，則或許可改裝原子噴泉為更進步的原子鏈。目前，世界時間標準的定義為基態銫原 子兩特定能階的能量差。在第一部原子噴泉發展後兩年，EcoleNormale的研究小組利用原子噴泉的高精確度量測銫原子的躍遷頻率，這些實驗結果顯 示，若適當地設計儀器，測量銫原子的躍遷頻率有可能達到1016的解析度，比目前最好的鐘的準確度好1000倍。由於這個潛力，全 世界超過8個研究小組正嘗試藉原子噴泉改進銫原子時間標準。
原子操控技術另一個熱門的應用是原子干涉儀。1991年，Konstanz大學、M.I.T.、 Physilalisch-Technische Bundesanstalt和Standford的研究員建造了第一部原子干涉儀。
原子干涉儀將原子分裂成空間上隔開的波，然後，這兩個部分再結合，並彼此干涉。最簡單的例子是將原子通過兩個分開的狹縫，通 過狹縫後再結合，結合後可以觀察到像波干涉的干涉條紋。原子的干涉效應清楚證明要描述原子的行為需要波及粒子兩種特性。
證明波粒雙重性外，更重要的是，原子干涉儀提供更高的靈敏度量測物理現象。為顯示其靈敏度的潛力，Mark Kasevich和我利用慢速原子造了一個干涉儀，並證明，利用這個干涉儀測量重力加速度，解析度至少可達3×108， 而且我們預測解析度很快會再增加100倍。在以前，測量原子的重力加速度，解析度大約在102左右。
近年來，原子操控技術的成果重新興起操控其他中性原子的研究熱潮。原子捕捉的基本原理，亦可適用於微米大小的粒子，像聚苯乙 烯小球。聚氫的雷射光束中心的強電場，像極化原子一般，會使微米大小的粒子產生極化，而粒子如原子一般，也會吸收特定波長的光，例如玻璃就會強烈吸收紫外 光，只要光的頻率低於吸收的頻率，粒子便會被拉往雷射光電場強度最強處。
1986年，Ashkin、Bjorkholm、J.B.Dziedzic和我證明，大小在0.02到10微米 的粒子可以用一道雷射光捕捉，1987年，Ashkin利用兩束相向的雷射光捕捉懸浮水中的橡膠小球。直到最近才了解，單一的雷射光如果聚焦聚得夠緊的 話，偶極作用力便足以克服沿雷射光前進方向的散射力，而不一定非得兩束光。
能活捉生物細胞的神奇光鑷子
只用單一雷射光的最大優點是可以做成「光鑷子」操控小粒子。光鑷子可以很容易地與傳統顯微鏡整合在一起，只要將雷射光導入顯 微鏡中，利用目鏡聚焦即可。將試樣放於一般顯微鏡的載玻片，用顯微鏡觀察時，便可同時利用光鑷子，移動聚焦的雷射光束操控試樣粒子。
光鑷子的應用之一，是Dziedzic和Ashkin發現的利用光鑷子攝取生命體的影像。Dziedzic和Ashkin發 現可以在不造成破壞的情況下，以光鑷子捕捉活的細菌或其他生物。想想在光鑷子雷射光焦點處，雷射光的強度約每平方公分一千萬瓦，雷射光能不造成破壞而能操 控活的生物，這種能力實令人驚訝。這理由在於只要生物對捕捉光的波長近乎透明，有機生物周圍的水便足以有效地冷卻使生物不遭雷射光破壞。不過，若雷射光強 度太高，生物仍可能被「光斃」。
光鑷子還有其他很多應用。Ashkin發現利用光鑷子不需刺穿細胞壁而能操控活的細胞內的物體，Steven M.Block和他在Cambridge、Mass及Harvard的同事利用光鑷子研究細菌鞭毛的力學特性，Micheel W. Berns和他在Irvine的California大學的同事則用光鑷子操控細胞核內的染色體。
光鑷子還能用於檢驗更小的生命系統。我的同事Robert Simmons、Jeff Finers、James A.Spudich和我目前正利用光鑷子的方法研究在分子層次下肌肉的收縮。Block和Duke大學的Michael P.Sheetz也正進行相關的研究。這個研究主要的目標之一是量測單一myosin分子沿纖維方向拉時所產生的張力。我們將聚苯乙烯小球黏附於纖維上， 利用光鑷子捉住小球，偵測「生物馬達」myosin分子，當myosin分子撞擊纖維時，顯微鏡物鏡端的光二極體便能感測到分子的運動，然後，回饋線路控 制光鑷子沿相反的方向拉，以平衡分子的運動。以這種方式，我們量測了受張力時myosin分子的拉力強度。
光鑷子甚至能用在更小的尺度，Spudich、Steve Korn、Elizabeth Sunderman、Steve Quake和我正研究操控DNA分子，將聚苯乙烯小球黏附於一股DNA的兩端，利用光鑷子捉住小球，而操控DNA分子。拉DNA分子時，先用染料分子染色 DNA，再用氫離子雷射的綠光照射染料，藉靈敏的視訊照像機來偵測螢光便能觀察DNA分子的行為。在第一次實驗中，我們測量DNA分子的彈力特性，拉開 DNA分子的兩端直到DNA分子被拉直到它的全長，然後放開其中一端，觀察DNA分子如何彈回，我們可檢驗在遠離平衡態時聚合物物理的基本理論。
光鑷子的另一應用是準備單一分子供其他實驗使用。將聚苯乙烯小球灌入顯微鏡載玻片，我們發現小球被「點銲」在載 玻片上，維持DNA分子在伸長的狀態。這項技術可能可用於準備長股DNA分子供目前最先端的顯微鏡檢驗。我們希望最後這些操控的技術能用於觀察沿著DNA分子的運動，說明出基因表示式及基因修復的問題。
自科學家停止原子、以光學麥芽糖捕捉原子、製造出第一個原子陷阱後，已有6年。光陷阱的技術，讓我們能延伸我們的視野，接觸 微觀的世界。雷射冷卻和雷射捕捉的技術已遠超過發展初期的夢想，看到原來只是原子物理領域中少數人的猜想已開花結果成為一新的領域，個人深感喜悅。現在， 我們已擁有物理、化學、生物學的重要新工具。
磁場可用以捕捉具有磁偶極的粒子。雷射光也可捕捉原子，因光具有動量可施力於原子及中性粒子，光陷阱約 0.001大，要將原子置於其中是極艱巨的，利用此項技術﹐科學家可將原子冷卻到接近絕對溫度零度、發展新的原子鐘、以及拉長單一的DNA分子，還有更奧 妙的用途及發現。
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