【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室聯(lián)合西班牙國家研究委員會和英國倫敦國王學(xué)院，在光子力學(xué)光力矩理論研究方面取得重要進展，預(yù)言了光梯度力矩和光旋度力矩的存在，并提出了橫向光力矩的概念。研究成果于7月24日發(fā)表于綜合性科技期刊——自然通訊(Nature Communications)。文章第一單位和第一作者為西安光機所徐孝浩，通信作者為徐孝浩、嚴紹輝和姚保利。
 

　　光力矩(optical torque, OT)是光子力學(xué)/光學(xué)微操縱領(lǐng)域的基本概念，它和光力(optical force, OF)共同構(gòu)成光驅(qū)動微觀粒子動力學(xué)運動的兩個基本因素，分別控制微小物體的自轉(zhuǎn)(繞自身質(zhì)心的旋轉(zhuǎn))和平動(質(zhì)心運動)。由光力矩驅(qū)動的微納機械轉(zhuǎn)子是發(fā)展多物理場傳感和精密測量等技術(shù)的重要工具，也是研究生物動力學(xué)、檢驗基礎(chǔ)物理學(xué)理論(如真空摩擦和卡西米爾效應(yīng)等)的關(guān)鍵技術(shù)手段。
 

　　人類對光力矩的認知可追溯至20世紀初物理學(xué)家波印廷(J. H. Poynting)的預(yù)言——圓偏振光可攜帶角動量并對物體施加力矩作用，該預(yù)言隨后被著名的Beth實驗驗證。如今人們把這種圓偏振光的動力學(xué)屬性稱為自旋角動量(SAM)。長期以來人們普遍認為作用于各向同性非手性粒子的光力矩只能由光場的自旋角動量產(chǎn)生。與之形成鮮明對比的是光力的種類多樣性，包括光動量誘導(dǎo)的輻射壓力、場強梯度產(chǎn)生的梯度力、自旋旋度導(dǎo)致的旋度力、虛動量力等。這些豐富的光力產(chǎn)生機制賦予了其靈活可調(diào)控性，并催生出負向光力(NOF)、橫向光力(LOF)等極具物理內(nèi)涵和應(yīng)用前景的新概念。
 

　　針對光力矩產(chǎn)生機制是否能突破光自旋角動量限制的問題，研究團隊基于笛卡爾多極子展開法，建立了新的光力矩理論，給出了光力矩與入射光場物理量的關(guān)聯(lián)及其分類框架(圖1)。結(jié)果揭示了兩類新的光力矩分量——光梯度力矩Tgrad和光旋度力矩Tcurl，它們分別通過光場的虛螺旋度梯度和動量旋度產(chǎn)生。由于這兩類力矩在一般情況下均和光自旋角動量線性無關(guān)，因此可作用于與自旋角動量正交的方向。在此基礎(chǔ)上，團隊提出了橫向光力矩(LOT)的概念，并展示了在LOT作用下使物體朝垂直于光自旋角動量的方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)可能性。
 

　　另一方面，該研究進一步揭示了光學(xué)軌道角動量(OAM)驅(qū)動微粒旋轉(zhuǎn)的基本原理，發(fā)現(xiàn)OAM與旋度力矩發(fā)生耦合，從而影響微粒自轉(zhuǎn)(即使微粒被捕獲在偏離光軸的位置)，最終借助拓撲荷增強的動量旋度，可實現(xiàn)與入射SAM和OAM方向均相反的光學(xué)負力矩(NOT)。該結(jié)果不僅為光學(xué)負力矩的起源提供了新機理，同時也修正了人們長期秉持的傳統(tǒng)觀點，即光學(xué)軌道角動量僅與離軸微粒的軌道旋轉(zhuǎn)有關(guān)。
 

圖1 光力矩和光力理論框架對比示意圖
 

　　瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室姚保利團隊自2003年起，在光場調(diào)控、光子力學(xué)及光學(xué)微操縱方面開展了長期的理論和實驗研究工作，在特殊光場全息光鑷研發(fā)方面積累了豐富的經(jīng)驗，近幾年在PNAS、Nat. Commun.、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等國際著名期刊發(fā)表多篇高水平論文。團隊曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎、二等獎和陜西省重點科技創(chuàng)新團隊等榮譽。