西安光機(jī)所在光子力學(xué)研究方面的研究成果

近日，瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合暨南大學(xué)李寶軍團(tuán)隊(duì)、新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授、西班牙國(guó)家研究委員會(huì)Nieto-Vesperinas教授，提出廣義電磁虛動(dòng)量力的高階理論模型，全面揭示了光學(xué)力與虛坡印廷動(dòng)量之間的普適性聯(lián)系，并首次從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了電磁虛動(dòng)量力對(duì)微粒的動(dòng)力學(xué)操控，為電磁虛動(dòng)量的有質(zhì)動(dòng)力學(xué)特性提供了直接證據(jù)。研究成果以“Observation of high-order imaginary Poynting momentum optomechanics in structured light”為題，發(fā)表于10月24日新一期的綜合性科技期刊——美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。文章第一和共同第一作者為西安光機(jī)所周源和暨南大學(xué)徐孝浩。

光學(xué)力（光力、光子力）是光（光子）與微小粒子相互作用時(shí)由于動(dòng)量傳遞導(dǎo)致的力，可以對(duì)微粒進(jìn)行操控（稱之為光子力學(xué)）。由此產(chǎn)生的光鑷技術(shù)，自1986年誕生以來，作為一種不可替代的工具，已被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大影響。迄今為止，共有三次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)直接或間接與光鑷技術(shù)相關(guān)（1997年，2001年，2018年）。

通常認(rèn)為在光鑷中，入射光場(chǎng)施加在粒子上的光學(xué)力由強(qiáng)度梯度和相位梯度引起，對(duì)應(yīng)于梯度力和輻射壓力。其中的輻射壓力直接與光場(chǎng)的實(shí)坡印廷動(dòng)量（即坡印廷矢量的實(shí)部，也即通常認(rèn)為的光學(xué)動(dòng)量）相關(guān)。2010年，Nieto-Vesperinas提出(Opt. Express18, 11428-11443)，長(zhǎng)期以來被忽略的、被認(rèn)為無物理意義的虛坡印廷動(dòng)量（即坡印廷矢量的虛部，IPM，也稱為電磁虛動(dòng)量）也能產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)。這為我們認(rèn)識(shí)光學(xué)動(dòng)量這一基本的光場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特性提供了新的視野，同時(shí)也為應(yīng)用光鑷來操控粒子開辟了一個(gè)新的自由度。然而，目前的IPM理論僅限于光與偶極子的相互作用框架，且沒有關(guān)于虛動(dòng)量力存在的明確實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

鑒于上述問題，研究團(tuán)隊(duì)基于多極矩張量理論和角譜展開法，從理論上嚴(yán)格推導(dǎo)出了IPM在任意尺寸微粒上誘導(dǎo)的光學(xué)力表達(dá)式。該解析模型可適用于任意階多極子，全面揭示了光學(xué)力與IPM之間的普適性關(guān)聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)不同階、多種類型（包括電、磁、混合型）的虛動(dòng)量力提供了完整的理論方法。新的普適公式表明，IPM對(duì)微粒具有非局域的有質(zhì)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，即微粒在每個(gè)位置的力學(xué)響應(yīng)不僅取決于該位置的IPM，還取決于其它位置的場(chǎng)量。在光學(xué)微操縱領(lǐng)域，光強(qiáng)梯度力和輻射壓力是基于偶極子模型定義的兩類光學(xué)力，在以往的研究中經(jīng)常被用來解釋或討論相關(guān)物理現(xiàn)象，即使操控對(duì)象無法被近似為偶極子。本研究將有助于改變這一現(xiàn)狀，促使相關(guān)領(lǐng)域的研究人員利用我們提出的理論和方法，發(fā)展高階光強(qiáng)梯度力和輻射壓理論，完善光子力學(xué)理論體系，從而為物理學(xué)、生命科學(xué)各相關(guān)分支的發(fā)展提供新的助力。

另一方面，為從實(shí)驗(yàn)上尋找虛動(dòng)量力的直接證據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)借鑒完美渦旋光場(chǎng)調(diào)控手段，構(gòu)建出只攜帶虛動(dòng)量渦旋的矢量光場(chǎng)，排除了實(shí)動(dòng)量的影響，從而可以對(duì)IPM誘導(dǎo)的光學(xué)力進(jìn)行獨(dú)立探測(cè)。更為重要的是，當(dāng)金屬微粒被該矢量光場(chǎng)捕獲時(shí)，偶極子散射將被完全抑制，而只激發(fā)由高階多極子散射貢獻(xiàn)的虛動(dòng)量力，為觀測(cè)高階虛動(dòng)量力提供了理想條件?；谶@種結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，研究人員在無普通光學(xué)軌道角動(dòng)量（OAM）入射的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金微米小球的旋轉(zhuǎn)操控，并成功觀察到了在聚焦光場(chǎng)亮環(huán)內(nèi)外側(cè)，IPM對(duì)金微粒的不同非局域作用導(dǎo)致的不同旋轉(zhuǎn)方向和速度（如圖1所示）。這是國(guó)際上首例基于電磁虛動(dòng)量的光學(xué)微操縱實(shí)驗(yàn)，為推動(dòng)電磁虛動(dòng)量這一原先只在理論上存在的概念向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步，對(duì)于發(fā)展新型光扳手與光學(xué)轉(zhuǎn)子技術(shù)具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)也為探索虛動(dòng)量的其它應(yīng)用場(chǎng)景如激光冷卻、真空懸浮及光學(xué)分選等提供啟發(fā)。

圖1 驗(yàn)證光學(xué)虛動(dòng)量力的微粒旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。(a)產(chǎn)生光學(xué)虛動(dòng)量渦旋的全息光鑷實(shí)驗(yàn)裝置；(b)兩個(gè)金小球被分別捕獲在IPM渦旋光束的內(nèi)外側(cè)平衡位置，并沿不同方向做軌道運(yùn)動(dòng)。

姚保利團(tuán)隊(duì)在特殊光場(chǎng)與微粒相互作用理論及光學(xué)微操縱技術(shù)方面開展了長(zhǎng)期的研究工作，在特殊光場(chǎng)全息光鑷研發(fā)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)的激光光鑷產(chǎn)品成功投放于市場(chǎng)并出口加拿大。此次研究成果得益于團(tuán)隊(duì)前期扎實(shí)的工作積累，同時(shí)更得益于國(guó)內(nèi)外三個(gè)合作團(tuán)隊(duì)的密切配合和大力支持，使本工作在理論和實(shí)驗(yàn)上取得了完美的結(jié)果，同時(shí)也為今后進(jìn)一步的合作奠定了良好的基礎(chǔ)。

審核編輯：郭婷