Arthur Ashkin: Mantendo a vida imóvel com a luz

Aos dez anos, no Brooklyn da era da Depressão, Arthur Ashkin ficou fascinado por um radiómetro de Crookes — aquela pequena lâmpada de vidro com palhetas pretas e brancas que gira quando se incide luz sobre ela. Ele deduziu que o calor, e não a luz em si, era o que provocava o movimento, e notou que as palhetas invertiam a direção se aquecesse a lâmpada pelo lado de fora. Sessenta anos mais tarde, o Comité Nobel atribuir-lhe-ia metade do Prémio da Física pela versão madura daquela questão de infância: pode um feixe de luz realmente agarrar a matéria? Podia. Ele tinha noventa e seis anos quando lhe deram a notícia e disse que não conseguia ficar muito entusiasmado com isso.

Brooklyn, Radar e um irmão que lá chegou primeiro

Ashkin nasceu a 2 de setembro de 1922 no Brooklyn, Nova Iorque, filho de Isadore Ashkin, que emigrara de Odessa aos dezoito anos e montara um laboratório dentário em Manhattan, e de Anna Fishman. Houve três filhos sobreviventes: um irmão mais velho, Julius, Arthur, e uma irmã mais nova, Ruth. Julius impôs um ritmo intimidante, obtendo um doutoramento em física na Columbia aos vinte e dois anos e acabando por chefiar o departamento de física no Carnegie Tech.

Arthur seguiu-o para a Columbia em 1940, vindo da James Madison High School. A guerra interrompeu-o; passou-a como técnico no Laboratório de Radiação a construir magnetrons para radar militar, sob a supervisão de um homem chamado Sid Millman que se revelaria decisivo duas vezes. Ashkin terminou a sua licenciatura em física em 1947 com uma chave Phi Beta Kappa, depois foi para Cornell ao abrigo da G.I. Bill, tirando o seu doutoramento em física nuclear em 1952 com uma tese sobre dispersão de eletrões-positrões. Em Cornell conheceu Aline, com quem casou em 1954 e com quem permaneceu casado durante mais de sessenta anos.

Quarenta anos nos Laboratórios Bell

Millman, então nos Laboratórios Bell, recomendou o seu antigo técnico. Ashkin chegou em 1952 e ficou quarenta anos. A primeira década foi dedicada a micro-ondas e tubos eletrónicos — trabalho respeitável, sem nada de notável. Depois chegou o laser e, por volta de 1960, Ashkin mudou completamente de campo, para a ótica não linear, fibras óticas, osciladores e amplificadores paramétricos. Durante a década de 1960, esteve entre os codescobridores do efeito fotorrefrativo em cristais piezoelétricos. Chegaria a deter quarenta e sete patentes.

Mas ele nunca tinha abandonado a questão do radiómetro. A luz transporta momento. Isso não é controverso — Maxwell já o tinha dito, e a pressão da radiação é a razão pela qual as caudas dos cometas apontam para longe do sol. O problema é que a força é absurdamente pequena. Ninguém esperava que fosse útil para empurrar algo que se pudesse ver.

O que as pinças óticas fazem realmente

A intuição de Ashkin foi que um laser não apenas empurra. Foque um feixe com precisão e ele cria um gradiente acentuado de intensidade — muito brilhante no ponto focal, mais ténue a uma fração de milímetro de distância. Uma partícula transparente situada nesse gradiente atua como uma lente minúscula, curvando a luz que a atravessa. Pela terceira lei de Newton, curvar o trajeto da luz empurra a partícula, e o resultado líquido é uma força que arrasta a partícula para o ponto mais brilhante e mantém-na lá.

Portanto, há duas forças em jogo: a força de dispersão, que empurra a partícula ao longo do feixe, e a força de gradiente, que a puxa lateralmente para o núcleo do feixe. Equilibre-as e terá uma armadilha. Consiga que a focagem seja suficientemente íngreme e a força de gradiente por si só pode segurar uma partícula contra o impulso, nas três dimensões, com um único feixe. Isso é uma pinça ótica: um nó de luz com algo preso nela.

Ashkin publicou o primeiro artigo sobre captura ótica em 1970. O Departamento de Física Teórica dos Laboratórios Bell rejeitou-o inicialmente; o seu chefe Rudi Kompfner desautorizou-os e disse-lhe para o enviar de qualquer maneira. Tornou-se o artigo mais citado do seu ano e já superou as cinco mil citações. Em 1971, fez levitar pequenas esferas de vidro contra a gravidade. A armadilha de gradiente de feixe único — a verdadeira pinça — seguiu-se na década de 1980, com a técnica convencionalmente datada de 1986.

De contas de vidro a células vivas

O passo que tornou Ashkin famoso fora da física foi biológico. Descobriu que podia capturar não apenas esferas de látex, mas bactérias, vírus e, eventualmente, células vivas inteiras, e — crucialmente — que, ao mudar para a luz infravermelha, podia fazê-lo sem as cozinhar. De repente, os biólogos tinham um par de mãos suficientemente pequenas para segurar um único organelo. As pinças óticas passaram a ser usadas para medir as forças geradas por motores moleculares como a cinesina a caminhar ao longo de um microtubo, para esticar moléculas de ADN individuais e para manipular células individuais sem lhes tocar.

Houve um legado paralelo na física. O trabalho de captura de Ashkin formou a base para o arrefecimento e captura a laser de átomos de Steven Chu, que valeu a Chu uma parte do Prémio Nobel de 1997, e a partir daí alimentou diretamente a condensação de Bose-Einstein e o laser de átomos.

O prémio, vinte anos tarde

A 2 de outubro de 2018, aos noventa e seis anos, Ashkin foi galardoado com metade do Prémio Nobel da Física pela sua invenção de pinças óticas que agarram partículas, átomos, vírus e outras células vivas com os seus dedos de feixe laser. Gérard Mourou e Donna Strickland partilharam a outra metade pela amplificação de pulso de impulso. Foi a pessoa mais velha de sempre a receber um Nobel no momento da atribuição, um recorde que durou apenas um ano até John Goodenough receber o Prémio da Química aos noventa e sete anos.

As outras honras acumularam-se de forma constante: eleição para a Academia Nacional de Engenharia em 1984 e para a Academia Nacional de Ciências em 1996, a Medalha Charles Hard Townes em 1988, a Medalha Frederic Ives em 1998, o Prémio Joseph F. Keithley em 2003, o Prémio Harvey em 2004 e a inclusão no Hall da Fama dos Inventores Nacionais em 2013. Reformou-se dos Laboratórios Bell em 1992 e continuou a trabalhar, num laboratório na cave da sua casa em Rumson, Nova Jérsia.

Porque é que o Arthur é chamado génio

A qualidade em exibição na carreira de Ashkin não é uma potência analítica bruta — ele não era um teórico, e a física da pressão de radiação estava bem estabelecida antes de ele lhe tocar. É algo mais raro e difícil de ensinar: uma imaginação invulgarmente literal, aliada à paciência para perseguir uma questão durante cinquenta anos sem encorajamento institucional.

Toda a gente sabia que a luz transportava momento. Ashkin foi quem perguntou o que aconteceria se tentasse realmente apanhar algo com ela, e depois continuou a construir aparelhos até funcionar. O artigo de 1970 foi rejeitado pelo grupo de teoria da sua própria instituição. Disseram-lhe, na prática, que o efeito era demasiado fraco para importar. Ele tinha razão e eles estavam errados, e o que o fez ter razão foi uma intuição física sobre como uma conta transparente refrata um feixe — uma imagem mental, não uma equação.

O contra-argumento honesto: ele não descobriu física nova. As pinças óticas são uma aplicação brilhante de princípios compreendidos, e o Nobel veio, no final, por um instrumento. Os Laboratórios Bell nessa era eram uma máquina extraordinária para transformar boas pessoas em produtivas, e Ashkin teve quarenta anos disso, com um chefe disposto a ignorar os céticos. Grande parte da biologia que tornou a técnica indispensável foi feita por outros. O que é genuinamente seu é a teimosia da ideia original, e o facto de uma técnica agora usada em laboratórios em todo o mundo ter vindo de um homem que se recusou a abandonar uma questão que colocou pela primeira vez quando era rapaz, a olhar para um brinquedo a girar.

Legado

Ashkin morreu a 21 de setembro de 2020, aos noventa e oito anos. Os seus três filhos — Michael, professor de arte em Cornell, Judith, instrutora de Tai Chi, e Daniel, cientista de cerâmica — nenhum o seguiu na física. O seu instrumento saiu-se melhor. As pinças óticas são agora equipamento padrão na biologia celular, biofísica e física atómica, e a capacidade de manter uma única bactéria viva imóvel num feixe de luz, que parecia um truque de magia em 1970, é agora algo que um estudante de pós-graduação monta antes do almoço.