用光學(xué)拓?fù)浼y理實(shí)現(xiàn)亞波長尺度的超精密操控

近日，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王占山教授、程鑫彬教授團(tuán)隊(duì)的施宇智教授提出了一種具有光學(xué)半子（meron）紋理特征的能流陣列，通過類多星系耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)了金納米顆粒多軌道旋轉(zhuǎn)，以及10nm精度分選。相關(guān)研究成果“Nanoparticle deep-subwavelength dynamics empowered by optical meron-antimeron topology”發(fā)表于《納米快報(bào)》（Nano Letters），并入選2024年首月封面。

不同大小的納米顆?？赡軗碛薪厝徊煌奈锢?、化學(xué)、生物等特性，因此顆粒精密分選在眾多領(lǐng)域意義重大。斯格明子（skyrmion）和半子（meron）通常是磁性材料中的非平面自旋紋理的拓?fù)淙毕?，最早發(fā)現(xiàn)于磁場中。而光場中的skyrmion近年來受到了人們廣泛關(guān)注。類比于磁skyrmion可以精密操控和分選電子，光skyrmion或meron有望在顆粒上施加更多種類的力，除了傳統(tǒng)的梯度力、散射力，還包括自旋產(chǎn)生的橫向力等，從而提供更精密的操控手段。有望為納米顆粒精密操控提供一種新思路，提高顆粒分選精度。

由于采用的納米孔陣列具有C4對稱性，其能帶出現(xiàn)雙簡并結(jié)構(gòu)（圖1a和1b）。雙簡并結(jié)構(gòu)附近的三個(gè)區(qū)域都存在meron的特征，但區(qū)域1和3能流指向洞內(nèi)，會將顆粒推到洞中，不利于顆粒表面操控。區(qū)域2中的能流將顆粒推到洞外，利于表面操控。同時(shí)，該系統(tǒng)中meron和antimeron是成對存在的，從而可以構(gòu)造meron-antimeron陣列（圖1e）。

圖1. 介電光子晶體的能帶特征及meron紋理陣列

在具有meron-antimeron分布特征的能流陣列和電場熱點(diǎn)的協(xié)同作用下，納米顆粒被捕獲或以一定的軌道發(fā)生旋轉(zhuǎn)。例如，100 nm的顆粒出現(xiàn)了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（圖2a），而140 nm的顆粒則出現(xiàn)了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（圖2b），且不同尺寸顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑不同（圖2c）。因此，可以對納米顆粒施加流體曳力，利用光學(xué)meron能流和流體拖曳力協(xié)同操控金納米顆粒的動(dòng)態(tài)行為，并由此開發(fā)一種高效的顆粒分選策略。該分選機(jī)制基于不同尺寸顆粒的不同軌道和軌道半徑，在其運(yùn)動(dòng)一定范圍后，實(shí)現(xiàn)分離（圖2d和2e）。

為了達(dá)到最佳效果，通過流體速度和光功率的控制，最高能夠?qū)崿F(xiàn)1nm精度的分選，如圖2f所示。這一研究揭示了光學(xué)meron在靜止和流體環(huán)境中操控納米顆粒的能力，為利用特殊拓?fù)浼y理實(shí)現(xiàn)眾多光流控應(yīng)用（如生物傳感、篩選和生物相互作用）提供了新思路。

圖2. 不同顆粒的軌道運(yùn)動(dòng)軌跡和分選結(jié)果

中國計(jì)量科學(xué)研究院戴新華研究員、香港城市大學(xué)蔡定平教授、同濟(jì)大學(xué)施宇智教授和同濟(jì)大學(xué)程鑫彬教授為論文共同通訊作者。同濟(jì)大學(xué)博士研究生陸澄鋒和上海交通大學(xué)王波教授為論文共同第一作者。其他具有突出貢獻(xiàn)的作者還包括同濟(jì)大學(xué)王占山教授、鄧曉副教授、博士后何濤和博士研究生羅洪，清華大學(xué)宋清華副教授，中國計(jì)量科學(xué)研究院方向研究員、龔曉云研究員和成都電子科技大學(xué)朱偉明研究員。

審核編輯：湯梓紅