Arthur Ashkin : Immobiliser la vie avec la lumière

À dix ans, dans le Brooklyn de la Grande Dépression, Arthur Ashkin était fasciné par un radiomètre de Crookes, cette petite ampoule en verre avec des aubes noires et blanches qui tourne lorsqu'on l'éclaire. Il comprit que c'était la chaleur, et non la lumière elle-même, qui provoquait la poussée, et remarqua que les aubes changeaient de direction si l'on chauffait l'ampoule depuis l'extérieur. Soixante ans plus tard, le Comité Nobel lui décernerait la moitié du prix de physique pour la version mature de cette question d'enfance : un faisceau de lumière peut-il réellement saisir la matière ? Il le pouvait. Il avait quatre-vingt-seize ans quand ils le lui ont annoncé et il a déclaré ne pas pouvoir s'en enthousiasmer outre mesure.

Brooklyn, le radar et un frère qui y est arrivé en premier

Ashkin est né le 2 septembre 1922 à Brooklyn, New York, fils d'Isadore Ashkin, qui avait émigré d'Odessa à dix-huit ans et construit un laboratoire dentaire à Manhattan, et d'Anna Fishman. Il y avait trois enfants survivants : un frère aîné, Julius, Arthur, et une sœur cadette, Ruth. Julius a imposé un rythme intimidant, obtenant un doctorat en physique à Columbia à vingt-deux ans et finissant par diriger le département de physique à Carnegie Tech.

Arthur l'a suivi à Columbia en 1940, après le lycée James Madison. La guerre l'a interrompu ; il l'a passée comme technicien au Laboratoire de rayonnement à construire des magnétrons pour le radar militaire, sous la direction d'un superviseur nommé Sid Millman qui s'avérerait décisif à deux reprises. Ashkin a terminé sa licence en physique en 1947 avec une clé Phi Beta Kappa, puis est allé à Cornell grâce au G.I. Bill, obtenant son doctorat en physique nucléaire en 1952 avec une thèse sur la diffusion électron-positron. À Cornell, il a rencontré Aline, qu'il a épousée en 1954 et avec qui il est resté marié pendant plus de soixante ans.

Quarante ans aux Bell Labs

Millman, alors aux Bell Laboratories, a recommandé son ancien technicien. Ashkin est arrivé en 1952 et y est resté quarante ans. La première décennie a été consacrée aux micro-ondes et aux tubes électroniques, un travail respectable et sans particularité. Puis le laser est arrivé, et vers 1960, Ashkin a complètement changé de domaine pour se tourner vers l'optique non linéaire, les fibres optiques, les oscillateurs et amplificateurs paramétriques. Au cours des années 1960, il a été parmi les codécouvreurs de l'effet photoréfractif dans les cristaux piézoélectriques. Il détiendrait finalement quarante-sept brevets.

Mais il n'avait jamais abandonné la question du radiomètre. La lumière transporte de la quantité de mouvement. Ce n'est pas controversé ; Maxwell l'avait dit, et la pression de radiation est la raison pour laquelle les queues des comètes pointent à l'opposé du soleil. Le problème est que la force est absurdement faible. Personne ne s'attendait à ce qu'elle soit utile pour pousser quelque chose que l'on pouvait voir.

Ce que font réellement les pinces optiques

L'intuition d'Ashkin était qu'un laser ne fait pas que pousser. Focalisez un faisceau étroitement et il crée un gradient d'intensité prononcé : très lumineux au point focal, plus faible à une fraction de millimètre. Une particule transparente placée dans ce gradient agit comme une minuscule lentille, courbant la lumière qui la traverse. Selon la troisième loi de Newton, courber la trajectoire de la lumière repousse la particule, et le résultat net est une force qui entraîne la particule vers l'endroit le plus lumineux et l'y maintient.

Il y a donc deux forces à l'œuvre : la force de diffusion, qui pousse la particule le long du faisceau, et la force de gradient, qui la tire latéralement vers le cœur du faisceau. Équilibrez-les et vous avez un piège. Obtenez une focalisation suffisamment abrupte et la force de gradient seule peut maintenir une particule contre la poussée, dans les trois dimensions, avec un seul faisceau. C'est cela une pince optique : un nœud de lumière avec quelque chose pris dedans.

Ashkin a publié le premier article sur le piégeage optique en 1970. Le département de physique théorique des Bell Labs l'avait initialement rejeté ; son patron Rudi Kompfner les a désavoués et lui a dit de l'envoyer quand même. Il est devenu l'article le plus cité de son année et a depuis dépassé les cinq mille citations. En 1971, il a fait léviter de petites sphères de verre contre la gravité. Le piège à gradient à faisceau unique, la vraie pince, a suivi dans les années 1980, la technique étant conventionnellement datée de 1986.

Des perles de verre aux cellules vivantes

L'étape qui a rendu Ashkin célèbre en dehors de la physique était biologique. Il a découvert qu'il pouvait piéger non seulement des sphères de latex, mais aussi des bactéries, des virus, et finalement des cellules vivantes entières, et, ce qui est essentiel, qu'en passant à la lumière infrarouge, il pouvait le faire sans les cuire. Soudain, les biologistes disposaient d'une paire de mains assez petites pour tenir un seul organite. Les pinces optiques ont ensuite été utilisées pour mesurer les forces générées par des moteurs moléculaires comme la kinésine se déplaçant le long d'un microtubule, pour étirer des molécules d'ADN uniques et pour manipuler des cellules individuelles sans les toucher.

Il y a eu un héritage parallèle en physique. Les travaux de piégeage d'Ashkin ont formé la base du refroidissement et du piégeage laser d'atomes de Steven Chu, qui a valu à Chu une part du prix Nobel 1997, et à partir de là, cela a alimenté directement la condensation de Bose-Einstein et le laser atomique.

Le prix, vingt ans trop tard

Le 2 octobre 2018, âgé de quatre-vingt-seize ans, Ashkin a reçu la moitié du prix Nobel de physique pour son invention des pinces optiques qui saisissent des particules, des atomes, des virus et d'autres cellules vivantes avec leurs doigts de rayon laser. Gérard Mourou et Donna Strickland ont partagé l'autre moitié pour l'amplification par dérive de fréquence. Il était la personne la plus âgée à recevoir un Nobel au moment de l'attribution, un record qui n'a duré qu'un an jusqu'à ce que John Goodenough obtienne le prix de chimie à quatre-vingt-dix-sept ans.

Les autres honneurs se sont accumulés régulièrement : élection à la National Academy of Engineering en 1984 et à la National Academy of Sciences en 1996, la médaille Charles Hard Townes en 1988, la médaille Frederic Ives en 1998, le prix Joseph F. Keithley en 2003, le prix Harvey en 2004, et l'intronisation au National Inventors Hall of Fame en 2013. Il a pris sa retraite des Bell Labs en 1992 et a continué à travailler dans un laboratoire au sous-sol de sa maison à Rumson, dans le New Jersey.

Pourquoi Arthur est qualifié de génie

La qualité démontrée dans la carrière d'Ashkin n'est pas une force analytique brute ; ce n'était pas un théoricien, et la physique de la pression de radiation était bien établie avant qu'il ne s'y touche. C'est quelque chose de plus rare et plus difficile à enseigner : une imagination inhabituellement littérale, associée à la patience de poursuivre une question pendant cinquante ans sans encouragement institutionnel.

Tout le monde savait que la lumière transportait de la quantité de mouvement. Ashkin a été celui qui a demandé ce qui se passerait si l'on essayait vraiment de ramasser quelque chose avec elle, puis il a continué à construire des appareils jusqu'à ce que cela fonctionne. L'article de 1970 a été rejeté par le groupe de théorie de sa propre institution. On lui a dit, en fait, que l'effet était trop faible pour avoir de l'importance. Il avait raison et ils avaient tort, et ce qui lui a donné raison, c'était une intuition physique sur la façon dont une perle transparente réfracte un faisceau, une image mentale, pas une équation.

Le contre-argument honnête : il n'a pas découvert une nouvelle physique. Les pinces optiques sont une application brillante de principes compris, et le Nobel est finalement venu pour un instrument. Les Bell Labs, à cette époque, étaient une machine extraordinaire pour transformer de bonnes personnes en individus productifs, et Ashkin en a profité pendant quarante ans, avec un patron prêt à passer outre les sceptiques. Une grande partie de la biologie qui a rendu la technique indispensable a été faite par d'autres. Ce qui est véritablement le sien, c'est l'obstination de l'idée originale, et le fait qu'une technique désormais utilisée dans les laboratoires du monde entier soit issue d'un homme qui a refusé d'abandonner une question posée pour la première fois quand il était enfant, en regardant un jouet tourner.

Héritage

Ashkin est décédé le 21 septembre 2020, à l'âge de quatre-vingt-dix-huit ans. Ses trois enfants — Michael, professeur d'art à Cornell, Judith, instructrice de Tai Chi, et Daniel, scientifique en céramique — aucun ne l'a suivi en physique. Son instrument a mieux réussi. Les pinces optiques sont désormais un équipement standard en biologie cellulaire, biophysique et physique atomique, et la capacité de maintenir une seule bactérie vivante immobile dans un faisceau de lumière, qui ressemblait à un tour de prestidigitation en 1970, est désormais quelque chose qu'un étudiant diplômé met en place avant le déjeuner.