激光的新视角 - 彭博社

来自田中胜美微型激光器的针尖脉冲光似乎不太可能成为里程碑式科学发现的载体。但当他凝视着微弱的绿色闪光时，这位41岁的NEC公司研究经理期待着不止于此。他已经开创了利用光束创造纯硅薄膜的方法，通过切断分子之间的键——这是在半导体上打包更多电路的关键。现在，田中和他在筑波NEC探索研究实验室的同事们期待激光能带来更宏伟的突破。“人们说激光是一项成熟的技术，”他沉思道。“但它们最令人兴奋的应用现在才开始显现。”

这是真的：在过去的30多年里，科学家们已经理解了激光如何产生强烈、聚焦的光束，以及它们如何改变分子和原子的特性。但以前从未有如此多领域的研究人员探讨这些效应。化学家称之为激光化学。物理学家则采用不同的方法，称为原子光学，来操控和研究单个原子。不管名称如何，“化学和物理正在融合，而激光正处于十字路口，”田中说。

这种融合有望创造“新设备和新市场，”国家科学基金会原子、分子和光学物理项目主任约翰·维纳预测。在十年内，激光操控物质的能力可能会导致廉价的平板显示器、超精确的测量设备、容量是今天磁盘驱动器的1000倍的计算机存储系统，以及具有改进电气特性和其他尚未想象的特性的全新材料。

原子摆动。从1960年诞生以来，激光一直是理想的分析工具：如果你用调谐到正确频率的激光束击中一个分子，它会将光重新散射成特定的模式，或以某种方式改变它。这种被称为激光荧光的技术揭示了分子的结构及其结合方式。研究人员推测，类似的过程可以改变或选择性地打破分子键，以生产化学物质——例如用于汽车和其他设备的工程塑料。在1980年代初，受到发射紫外光的新激光的吸引，美国和欧洲的大型企业实验室纷纷涌入这一领域，认为这可能是化学合成的更快、更便宜的替代方案，化学合成是传统的改变分子键以生产材料的方法。但激光技术过于粗糙，跨国公司失去了兴趣。

然而，科学家们继续努力，现在他们正处于重大进展的边缘。在过去的一年里，密歇根大学超快光学科学中心和肯特州立大学的研究人员将光束分裂成不同的颜色。利用液晶，他们改变不同颜色光束的强度和时序。然后，他们将这些光束重新组合成具有精确设计形状的光脉冲。他们希望这些形状的脉冲在挑剔特定化学键方面远胜于普通激光束。

与此同时，在麻省理工学院，化学教授基思·A·纳尔逊正在对晶体中的原子施加极短的激光脉冲。到目前为止，他可以摇动单个原子，利用激光荧光观察它们的反应。纳尔逊希望很快能够重新排列晶体中的原子，这将使他能够构建全新的材料。关键在于通过调整激光爆发的顺序使变化保持不变。“目前还不清楚应该使用什么顺序，”纳尔逊说。

富勒烯。意外可能提供一个答案。这发生在1984年，当时莱斯大学的化学教授理查德·E·斯莫利对碳分子进行了激光照射。激光的振动引发了一场化学反应，产生了被称为富勒烯的独特几何构型的分子簇，因为它们与巴克敏斯特·富勒的穹顶相似。如今，十几家公司正在制造它们，希望创造出新的超强塑料或催化剂。

日本也在取得进展。多年来，东京的国际贸易与工业省（MITI）帮助资助了几十个激光研究项目，大多数是为了提高激光的性能。但有一些，例如在日本最大的国内石油公司出光兴产株式会社的项目，追求重要材料。在那里，团队负责人下保信夫使用一种发出紫外光的激光照射充满有机金属气体的罐子。通过一次光的爆发，下保可以生产几克

称为铁氧体的磁性材料。这些材料用于电子元件，如放大器，价格足够高以证明使用激光的成本是合理的。“我们没有完美的选择性，”下保说，“但我们有一些技巧来解决这个问题。”

激光化学的更广泛应用产品可能是新型的数据处理和存储设备。在今天的CD-ROM和音频CD中，激光光线反射在塑料盘上压印的微小凹坑中。激光在这些凹坑中刻录和读取数据作为数字信息。这种盘可以存储多达5亿字节的数据。但如果不再制造小凹坑，而是在固体材料块内部开关单个分子，那么每平方厘米大约可以容纳100亿字节。这足以在一个糖块大小的块上放下1万亿个字符，或者一叠纽约市厚重的黄页。

为此，索尼、日立、NEC和其他几家公司正在研究IBM在1970年代末首次提出的分子存储概念。大蓝的科学家们发现，某些晶体和玻璃的分子中充满了微小的缺陷，导致它们在略微不同的频率或颜色下吸收光。通过用合适频率和强度的激光照射一个分子，可以改变它吸收光的频率。然后，可以将可检测的变化读取为一位信息。

下一步，更困难的任务将是寻找适合这种方法的材料。目前，日本人已经在积累关于不同材料如何对不同频率和强度的光反应的庞大数据库。“这不会很快发生，”IBM在圣荷西的阿尔马登研究中心的研究经理威尔弗里德·伦特预测。但这正是日本科学家擅长的那种艰苦追求。

类似的光化学反应可能更早地导致计算机和电视的改进平板显示屏。在今天的主动矩阵液晶显示器中，每个点都是由一个单独的晶体管开关控制的。制造具有数百万个晶体管的大屏幕是一场制造噩梦。通过将光敏分子与特殊液晶混合，东京工业大学的激光化学家池田智树在一月份展示了他可以用更简单的激光配置替代电子网格。它们触发夹在屏幕构成板之间的材料中的化学反应。池田表示，最终结果可能是更清晰的图像、更大的屏幕和更低的制造成本。

交叉火力。物理学家们也从使用激光中看到了收益。原子通常处于不断运动中。但通过将它们捕获在激光束的交叉火力中，斯坦福大学、麻省理工学院、国家标准与技术研究所及其他实验室的科学家们将原子“冷却”到慢动作状态，以便进行操控。通过这种方式，他们希望创造出超精确的测量设备，例如用于航空导航的陀螺仪或用于雕刻微型机器的工具。

冷却原子的领导者之一是斯坦福大学的物理学教授史蒂文·朱。在其他研究人员展示了调谐到正确频率的激光束可以减缓原子的运动后，朱将六束激光集中在一个原子上，从各个方向阻挡它。在这种条件下，原子的温度冻结在绝对零度以上仅几百万分之一度，-460华氏度。冷却的原子可以在空中被抛出，形成“喷泉”。科学家们测量它们的加速度，从而确定在它们下落时拉扯它们的引力场的强度。

朱的测量足够敏感，可以检测到地球中心仅三厘米移动所造成的引力场差异。他还可以每秒进行几次读数，而使用旧技术时每10秒才进行一次测量。尽管仍然只有今天最佳技术的三十分之一的准确度，但科学家们表示，朱的方法有潜力产生最准确的测量。在十年内，朱认为卡车或飞机上的引力传感器可以比现有方法更好地定位油藏，因为它们可以更好地测量油与周围材料之间的不同密度。几十个实验室也在建造原子钟，这些原子钟的准确度可能是目前用于导航、科学测试和通信系统的设备的100倍：其中最好的设备在一百万年内的误差仅为一秒。

虚幻的梦想。在国家科学基金会，物理学家韦纳设想用冷却原子的束替代一些今天的半导体制造设备。多年来，工程师们一直使用原子或分子的束在硅的表面构建微小的电子结构。问题在于，聚焦一束普通的“热”原子使得束的强度太弱，无法沉积构建微小结构所需的细线原子。韦纳说，使用冷却原子克服了这个问题。这将使得制造微小的发动机、泵和其他“微型机器”变得更容易，这些微型机器将修复受损的电路或监测体内的关键物质，如血糖水平。

所有这些进展并没有让怀疑者感到惊艳，他们目睹了激光的不足使一个又一个美好的梦想破灭。许多激光仍然没有达到所需的效率。而且，最适合化学或原子操作的激光价格高达80,000美元。“激光仍然太贵了，”MITI电气技术实验室的光子过程高级研究员塚本浩一说。

尽管如此，激光正在快速改善。制造商正在提高它们的功率和使用寿命，并降低成本。随着这一进程的持续，经过30年的艰苦努力，应该开始在物理和化学的改善生活中得到回报。