在美国留学的日子
1985年夏，谢晓亮抵达美国，开始了在加州大学圣地亚哥分校的学习，他选择了从事超快激光研究化学动力学的约翰·西蒙（John Simon）教授做自己的导师。谢晓亮说，“在研究中西蒙给了我许多指导，也给了我很多自由。西蒙的实验能力非常强，当时激光还很难调，他手把手地教我搭激光器，我研究生时的大部分时间都是在实验室里调激光，调不出来时，我就去找西蒙，他往那一站几个小时，最后总能调出来。我向他学到了许多实验技巧。”
一天晚上，谢晓亮开夜车做一个西蒙建议的光分解的实验。第二天早晨8点，他将数据留在西蒙的办公室，回家睡了一会，中午12点回办公室时，西蒙高兴地说：“晓亮，这是你的第一篇论文。”
做出第一个成果后，他开始想自己找题目做。研究生第二年时，他给西蒙写了一个项目建议书，用快速圆二色性光谱检测生物大分子构象。西蒙非常支持，让他按自己的主意独立研究。经过努力快速圆二色性光谱成功了，成了他的博士论文题目，谢晓亮将它应用到生物物理的几个不同体系，也因此对生物学产生了越来越大的兴趣。
1989年博士毕业后，谢晓亮去芝加哥大学著名物理化学教授格雷厄姆·弗莱明（Graham Fleming）的实验室做博士后。临走前，西蒙告诫他不要继续做圆二色性，要学新东西。谢晓亮当时不理解，因为他非常喜爱自己发明的新技术。但现在回过头来看，他很感谢西蒙的好建议。到了芝加哥，弗莱明问他“你想做什么？”谢晓亮记住了西蒙的忠告，对弗莱明说：“我现在还没有成熟的想法，你能不能给我一个建议？”弗莱明建议他学荧光测量技术。他很快为弗莱明搭建了一个飞秒分辨率的荧光光谱测量装置，将它用于光合作用机理、电子转移和能量转移快速过程的研究。他说：“这对我后来做单分子研究很有帮助。”
在美国国家实验室起步
在弗莱明的实验室，谢晓亮的博士后工作还没有到期，一个机会就找到了他——美国太平洋西北国家实验室（PNNL）邀请他参加工作面试。
PNNL始建于1965年，主要服务于汉福德基地的应用研究，而汉德福基地正是第二次世界大战“曼哈顿工程”中生产出第一颗原子弹的核材料的地方，但是核材料的生产也污染了环境。20世纪80年代末冷战结束，美国联邦政府每年投入20亿美元用于环境治理，并于1986年耗资2.5亿美元在PNNL创建了环境分子科学实验室，希望从基础研究入手解决环境治理问题。1989年PNNL请来了耶鲁大学教授史蒂夫·科森（Steve Colson），负责实验化学物理项目，组建研究团队。科森找到了约翰·西蒙，西蒙推荐了谢晓亮。
当时激光领域有一个很大的突破——钛宝石激光技术面世了，谢晓亮马上建议弗莱明试用这个技术，结果在租来的新激光装置上，谢晓亮很快做完了所有想做的实验，包括以后想要在PNNL做的实验。他开始思考新的研究方向。
在PNNL面试前的两个星期，谢晓亮在《科学》上读到了贝尔实验室埃里克·白兹格（Eric Betzig）一篇近场光学显微镜的论文。“我当时在研究做光合作用，很希望有一个空间分辨率比较高的成像办法能够看到生物膜中光合作用蛋白的分布。看到这篇论文后特别兴奋。”谢晓亮还知道，美国和法国化学家分别在1989年和1990年做出了低温单分子实验；1990年美国化学家在溶液里用激光检测到了单个分子的荧光，但没有成像。
在这种背景下，谢晓亮开始想怎么才能在室温下做单分子成像，因为只有在室温下的单分子实验才可以用于生物学研究。这成为他在PNNL面试时提出的新方向。但是单分子研究原来并不是PNNL的方向，而且面试委员会的科学家们大都怀疑这个技术能否突破。
PNNL副主任道格拉斯·雷是当年面试委员会的成员之一，他说：“晓亮提出要做室温下单分子光谱成像技术，这在当时是一个难以置信的大胆想法。但他如此优秀，又受过很好的训练，他让我们相信，如果有人能做出这个技术，那么这个人就应该是他。因此科森决定聘请他。科森选拔人才的观点是，寻找最好的人才，帮助他们建立团队，给他们最好的支持，放手让他们干。”
PNNL最终向谢晓亮发出了加盟邀请。谢晓亮成为自PNNL1965年成立以来的第一位来自中国的科学家。
1992年初，谢晓亮和妻子宋琳来到了PNNL所在地、华盛顿州东南部的沙漠小镇里奇兰德。
科森用充足的研究经费支持他，告诉他在研究超快光谱的同时，可以在业余时间做单分子研究。终于可以做单分子研究了，谢晓亮非常兴奋，开始寻找博士后。
他想到了自己在西蒙研究组时的师弟鲍勃·邓恩（Bob Dunn）。“研究生时我曾教过邓恩搭激光，他的实验能力很强。”然而，邓恩当时已经获得名校的博士后职位。谢晓亮努力说服邓恩加盟，邓恩终于成为他的第一个博士后，于1992年夏来到了里奇兰德。
他们开始用的是贝尔实验室发展的近场光学成像技术在室温下观察单个分子。在最初一年多的时间里，他和邓恩没日没夜地做实验，没想到还是被贝尔实验室抢了先。“1993年10月，在加拿大温哥华的一次会议上，埃里克·白兹格宣布单分子成像获得成功。当时我在听众席上，觉得很遗憾。我走出会议厅，打了两个电话，第一个安慰邓恩，第二个向科森报告。”
科森在电话那头说：“没关系！这只不过是一个技术，很快会有更好的技术。最重要的是你用这个新技术解决什么科学问题。”
“这不单是安慰，也是我科研生涯中得到的最重要的建议之一。从这以后，我们一直将发明新技术和解决重大科学问题结合起来。”在贝尔实验室的论文发表几个月后，他和邓恩的论文发表在《科学》杂志上，这项工作首次用荧光观察到单分子在室温下的动态过程，此论文后来为邓恩赢得了一个教授职位。
正如科森所料，近场光学成像很快就被更先进的远场光学成像所取代。1998年，谢晓亮和博士后路洪通过远场荧光实时观测到单个酶分子的随机生物化学反应。这项工作为单分子酶学领域的发展做出了奠基性贡献，并成为单分子DNA测序技术的基础。路洪也因此成了一位大学教授。
在做单分子实验的同时，谢晓亮也努力做PNNL原定的研究方向，搭建超快激光研究分子的振动光谱学，但没有获得成功。在PNNL同事的帮助下，他改用这台超快激光器做非线性光学实验，1999年获得新突破，开发出相干反斯托克斯拉曼显微成像技术（CARS），相关论文发表在《物理评论快报》（PRL）上。这又是一项重大的创新性成就：基于分子本身的振动频率，在无标记的情况下高清晰度的成像分子图像。一个崭新的领域被打开了。
因为在PNNL的杰出成就，美国多所大学向谢晓亮发出加盟邀请，他最终选择了哈佛大学。“我喜欢PNNL，没有想过用它做垫脚石。但我觉得到哈佛可以更好地开展生物医学研究。我很幸运能在PNNL开始我的职业生涯。如果我是在大学里开始，开始时经费不足，我可能不会去做那么难的工作，也许就不会有我的今天”。
