Arthur Ashkin: Tenere ferma la vita con la luce

A dieci anni, nella Brooklyn dell'epoca della Grande Depressione, Arthur Ashkin rimase affascinato da un radiometro di Crookes: quella piccola lampadina di vetro con palette bianche e nere che gira quando la colpisci con la luce. Capì che era il calore, non la luce stessa, a produrre la spinta, e notò che le palette invertivano la direzione se scaldava la lampadina dall'esterno. Sessant'anni dopo, il Comitato Nobel gli avrebbe assegnato metà del Premio per la Fisica per la versione matura di quella domanda infantile: può un raggio di luce afferrare davvero la materia? Poteva. Aveva novantasei anni quando glielo dissero, e disse che non riusciva ad esserne più di tanto entusiasta.

Brooklyn, il radar e un fratello arrivato per primo

Ashkin nacque il 2 settembre 1922 a Brooklyn, New York, figlio di Isadore Ashkin, emigrato da Odessa a diciott'anni e che aveva costruito un laboratorio dentistico a Manhattan, e di Anna Fishman. C'erano tre figli sopravvissuti: un fratello maggiore, Julius, Arthur, e una sorella minore, Ruth. Julius impose un ritmo intimidatorio, conseguendo un dottorato in fisica alla Columbia a ventidue anni e finendo per dirigere il dipartimento di fisica alla Carnegie Tech.

Arthur lo seguì alla Columbia nel 1940, dopo la James Madison High School. La guerra lo interruppe; la passò come tecnico al Radiation Laboratory costruendo magnetron per il radar militare, sotto un supervisore di nome Sid Millman che si sarebbe rivelato decisivo due volte. Ashkin finì la laurea in fisica nel 1947 con una chiave Phi Beta Kappa, poi andò alla Cornell con il G.I. Bill, ottenendo il dottorato in fisica nucleare nel 1952 con una tesi sulla diffusione elettrone-positrone. Alla Cornell incontrò Aline, che sposò nel 1954 e con cui rimase sposato per più di sessant'anni.

Quarant'anni ai Bell Labs

Millman, allora ai Bell Laboratories, raccomandò il suo vecchio tecnico. Ashkin arrivò nel 1952 e rimase quarant'anni. Il primo decennio fu dedicato alle microonde e ai tubi elettronici: lavoro rispettabile e non eccezionale. Poi arrivò il laser e, intorno al 1960, Ashkin cambiò completamente campo, passando all'ottica non lineare, alle fibre ottiche, agli oscillatori e amplificatori parametrici. Durante gli anni Sessanta fu tra i co-scopritori dell'effetto fotorefrattivo nei cristalli piezoelettrici. Avrebbe infine detenuto quarantasette brevetti.

Ma non aveva mai abbandonato la questione del radiometro. La luce trasporta momento. Non è controverso: lo aveva detto Maxwell, e la pressione di radiazione è il motivo per cui le code delle comete puntano lontano dal sole. Il problema è che la forza è assurdamente piccola. Nessuno si aspettava che fosse utile per spingere qualcosa che si potesse vedere.

Cosa fanno davvero le pinzette ottiche

L'intuizione di Ashkin fu che un laser non spinge soltanto. Focalizza un raggio con precisione e creerai un ripido gradiente di intensità: molto luminoso nel punto focale, più fioco a una frazione di millimetro di distanza. Una particella trasparente che si trova in quel gradiente agisce come una minuscola lente, piegando la luce che la attraversa. Secondo la terza legge di Newton, piegare il percorso della luce spinge la particella, e il risultato netto è una forza che trascina la particella verso il punto più luminoso e la mantiene lì.

Quindi ci sono due forze al lavoro: la forza di diffusione, che spinge la particella lungo il raggio, e la forza di gradiente, che la tira lateralmente nel cuore del raggio. Bilanciale e avrai una trappola. Rendi la focalizzazione abbastanza ripida e la forza di gradiente da sola può mantenere una particella contro la spinta, in tutte e tre le dimensioni, con un unico raggio. Questa è una pinzetta ottica: un nodo di luce con qualcosa catturato al suo interno.

Ashkin pubblicò il primo documento sulla cattura ottica nel 1970. Il Dipartimento di Fisica Teorica dei Bell Labs lo respinse inizialmente; il suo capo Rudi Kompfner li contraddisse e gli disse di inviarlo comunque. Diventò l'articolo più citato dell'anno e da allora ha superato le cinquemila citazioni. Nel 1971 fece levitare piccole sfere di vetro contro la gravità. La trappola a gradiente a raggio singolo, la vera pinzetta, seguì negli anni Ottanta, con la tecnica convenzionalmente datata al 1986.

Dalle perle di vetro alle cellule viventi

Il passo che rese Ashkin famoso fuori dalla fisica fu biologico. Scoprì che poteva catturare non solo sfere di lattice ma batteri, virus e, infine, intere cellule viventi e, aspetto fondamentale, che passando alla luce infrarossa poteva farlo senza cuocerle. Improvvisamente i biologi avevano un paio di mani abbastanza piccole da tenere un singolo organello. Le pinzette ottiche furono poi utilizzate per misurare le forze generate da motori molecolari come la chinesina che cammina lungo un microtubulo, per allungare singole molecole di DNA e per manipolare singole cellule senza toccarle.

Ci fu un'eredità parallela in fisica. Il lavoro di cattura di Ashkin formò le basi per il raffreddamento e la cattura laser degli atomi di Steven Chu, che valse a Chu una parte del Premio Nobel del 1997, e da lì alimentò direttamente la condensazione di Bose-Einstein e il laser ad atomi.

Il premio, vent'anni di ritardo

Il 2 ottobre 2018, all'età di novantasei anni, Ashkin fu insignito di metà del Premio Nobel per la Fisica per la sua invenzione delle pinzette ottiche che afferrano particelle, atomi, virus e altre cellule viventi con le dita del loro raggio laser. Gérard Mourou e Donna Strickland condivisero l'altra metà per l'amplificazione a impulso modulato. È stato la persona più anziana di sempre a ricevere un Nobel al momento dell'assegnazione, un record durato solo un anno fino a quando John Goodenough ottenne il Premio per la Chimica a novantasette anni.

Gli altri onori si erano accumulati costantemente: elezione alla National Academy of Engineering nel 1984 e alla National Academy of Sciences nel 1996, la Medaglia Charles Hard Townes nel 1988, la Medaglia Frederic Ives nel 1998, il Premio Joseph F. Keithley nel 2003, il Premio Harvey nel 2004 e l'inserimento nella National Inventors Hall of Fame nel 2013. Si ritirò dai Bell Labs nel 1992 e continuò a lavorare, in un laboratorio nel seminterrato della sua casa a Rumson, nel New Jersey.

Perché Arthur è chiamato genio

La qualità mostrata nella carriera di Ashkin non è una pura potenza analitica: non era un teorico, e la fisica della pressione di radiazione era ben consolidata prima che lui la toccasse. È qualcosa di più raro e difficile da insegnare: un'immaginazione insolitamente letterale, unita alla pazienza di inseguire una domanda per cinquant'anni senza incoraggiamento istituzionale.

Tutti sapevano che la luce trasportava momento. Ashkin fu quello che si chiese cosa sarebbe successo se avessi provato davvero a raccogliere qualcosa con essa, e poi continuò a costruire apparecchi finché non funzionò. L'articolo del 1970 fu respinto dal gruppo di teoria della sua stessa istituzione. Gli fu detto, in effetti, che l'effetto era troppo debole per avere importanza. Aveva ragione lui e avevano torto loro, e ciò che gli diede ragione fu un'intuizione fisica su come una perla trasparente rifrange un raggio: un'immagine mentale, non un'equazione.

Il controargomento onesto: non ha scoperto una nuova fisica. Le pinzette ottiche sono un'applicazione brillante di principi compresi, e il Nobel arrivò, alla fine, per uno strumento. I Bell Labs in quell'epoca erano una macchina straordinaria per trasformare le brave persone in persone produttive, e Ashkin ne beneficiò per quarant'anni, con un capo disposto a scavalcare gli scettici. Gran parte della biologia che rese la tecnica indispensabile fu fatta da altri. Ciò che è genuinamente suo è l'ostinazione dell'idea originale, e il fatto che una tecnica oggi utilizzata nei laboratori di tutto il mondo sia nata da un uomo che si rifiutava di abbandonare una domanda che si pose per la prima volta da ragazzo, fissando un giocattolo che girava.

Eredità

Ashkin morì il 21 settembre 2020, all'età di novantotto anni. I suoi tre figli — Michael, professore d'arte alla Cornell, Judith, istruttrice di Tai Chi, e Daniel, scienziato dei materiali ceramici — nessuno lo ha seguito nella fisica. Il suo strumento ha fatto di meglio. Le pinzette ottiche sono oggi attrezzature standard in biologia cellulare, biofisica e fisica atomica, e la capacità di tenere un singolo batterio vivo immobile in un raggio di luce, che suonava come un trucco di magia nel 1970, è ora qualcosa che uno studente laureato prepara prima di pranzo.