科學家在亞衍射尺度實現納米粒子超快光學軌道

　　中科院遺傳與發育所降雨強研究組與新加坡國立大學仇成偉團隊、電子科技大學楊元杰團隊、山西大學肖連團團隊、中央民族大學郭紅蓮團隊合作，提出了一種基于非線性效應的光致旋轉新方法，使水中納米顆粒的軌道旋轉速度得到極大的提升。相關成果近日發表于《自然—通訊》。

實驗裝置示意圖及典型的實驗結果 圖片來源：降雨強等

　　光學微操控（光鑷）技術作為微納尺度下研究物體運動及其相互作用的一項關鍵技術，具有極其重要的應用價值。因具有非接觸、無損傷、精度高等優點，其在物理、化學、微機械、特別是在生物大分子互作等領域被廣泛應用，并于2018年獲得諾貝爾物理學獎。

　　光不僅具有能量，而且具有動量。光對物體的操縱依賴于光與物體之間的動量傳遞。當光照射物體時，動量被轉移到物體上，從而在物體上產生光壓。在微觀尺度上，微粒和納米顆粒（如生物細胞和大分子）可以被光的力量操縱。原子可以通過光壓冷卻來實現原子鐘、玻色-愛因斯坦凝聚等。

　　線動量的傳遞可實現物體的捕獲與平動，而角動量的傳遞則可導致物體的旋轉。由于動量的轉換通常來源于光與物體之間的線性相互作用，這種軌道旋轉的速率很低（不超過1Hz），且形成的軌道半徑通常都在微米量級。

　　合作團隊克服了這些限制。基于非線性光學效應，研究人員獲得了亞衍射尺度下納米粒子的超快軌道旋轉速率。在線性相互作用條件下，他們使用圓偏振飛秒高斯光束捕獲金納米顆粒，通過光阱劈裂效應形成環形勢阱，實現了超光學衍射極限的軌道旋轉（最小半徑可達71 納米）；并利用光與納米顆粒的非線性相互作用使得高斯光束匯聚導致的軌道旋轉速率提高了3個數量級以上（最快轉速大于1 KHz）。這個結果甚至比渦旋光束形成的軌道旋轉也要高出一個數量級（此前報道的最快光致軌道旋轉速度是87Hz）。

　　此外，通過激光功率、顆粒材料、物鏡數值孔徑等參數的調整，還可自由控制納米顆粒軌道旋轉的半徑和轉速，這將極大地拓展該成果的應用范圍。該研究直接驗證了光束聚焦過程中的自旋-軌道角動量轉化（STOC），揭示了光致旋轉的一種新機制。該研究提出的新方法將在微納流體學、微納加工以及生物操控等領域具有重要的應用價值。