Light：仇成伟 | 手性微米颗粒可逆光学横向力的理论和实验验证

撰稿 | 课题组供稿

近日，仇成伟教授带领的光学操控团队在光子手性光学横向力研究领域中取得重大突破。

首次从理论到实验证明了可逆光学横向力在手性颗粒中存在。

仇教授带领的跨多国团队来自新加坡，中国，意大利，西班牙等国家。

手性微米颗粒在线性光的照射下产生可逆的光学横向力，这从理论和实验上揭示了光学横向力新的产生机制。

其在光学操控，手性识别，手性药物分离等领域具有较大的潜力和应用价值。

光束中存在着大量的带有动量的光子，当这些光子作用于颗粒上时将会与颗粒进行动量转换，从而在颗粒上产生吸引力（传统光镊），推动力（光压作用力）或者拖拽力等等。

近年来，科学家们发现圆偏振光作用在金属狭缝或位于界面的颗粒度时候会在在垂直于光动量传播的横向产生不对称的动量偏转，从而产生一种光学横向力。

后来，科学家们又从理论上发现这种光学横向力还可以在手性纳米颗粒中存在，而且仅仅只需要线偏振光的照射。

如下图1.所示，表示的是手性纳米颗粒在线偏振光的照射下产生光学横向力。作者在文中提出，该光学横向力是由于手性颗粒与颗粒散射到界面而反射回来的光的耦合所产生。

图1. 手性纳米颗粒产生光学横向力的理论示意图

图片来源于文章：Lateral optical force on chiral particles near a surface；S. B. Wang and C. T. Chan, Nature Communications, 5, 3307 (2014)

该文章是一篇理论文章，作者所采用的物理模型是偶极子模型，即颗粒远远比光的波长小。并且一旦手性颗粒的旋向（左旋或者右旋）定了，横向力的方向便定了。

我们也许会问，如果颗粒的尺寸变得跟波长相当（Mie区间），模型是怎么样的呢？

力的大小甚至方向是否会发生改变？

能否设计实验验证手性光学横向力的存在呢？

在本篇文章《手性动量转换用于双向手性分离》中，作者给了大家回答，那就是利用动量传递原理分析了手性微米球（Mie区间）的光学横向力的产生原理，提出力可逆的概念，并且设计实验验证了这种可逆光学横向力的存在。

我们知道，当光穿过物体的时候，光子前后的动量大小和方向都要发生变化，这种变化实际就是光子将自己的动量传递给了物体，使得物体发生运动。

利用该原理，作者利用坡印廷矢量（Poynting vector）在穿过颗粒前后的变化直观表达了该光学横向力。

利用意大利Gabriella Cipparrone教授和Alfredo Mazzulla博士加工合成的手性微米颗粒，作者在实验中观测了这种可逆光学横向力。

图2. 光学横向力的产生的示意图以及手性微米颗粒的特性

如图2a.中描绘的是产生光学横向力的示意图，手性微米颗粒悬浮在空气和水的界面上，在受到倾斜入射的s或p线性偏振光的照射下，左旋的手性微球将会向+y方向移动，而右旋的手性微球则向-y方向移动。

由于手性微球独特的结构，其在显微透射模式下的照片具有交叉的散射条纹如图2b所示。

图3d中的微球的TEM照片显示其内部的手性螺旋微结构。

由于实验中所用激光的波长是532纳米，合成的微球也特意使其在532纳米附近产生谐振如图2e所示。

图2f展示的是颗粒在反射模式下的照片，由于内部螺旋结构的不同，不同大小和结构的颗粒呈现略微不同的颜色。

图3. 界面产生手性光学横向力的直观解释1

图3展示的是界面产生手性光学横向力的直观解释之一。

如图3a所示，假设有两束光对称地照射到轴线k1的两边，由于手性球对光的耦合和扭曲作用，两束光分别在两红色圈标注的面内发生散射，因为球的360度对称性，两个面内的散射必将在y方向相互抵消，从而不产生在y方向的横向力。

由Minkowski动量法则我们知道，其作用的力正比于nℏω/c，其中n为介质折射率，ℏ为普朗克常数，ω是光的角频率，c是光速。

如果微球一半浸入水中如图3b所示，由于水的折射率nm和空气的折射率n0存在差异，穿透球的光束在两红色圈标注的面中的水和空气面积比例将不会对等，使得净横线动量变化不为0，从而产生横向力。

由于不同的入射角导致两红圈的水和空气比例的不同（图3c），其横向动量和横向力也将不同。

并且，由于入射角不同，球与水接触的角落产生复杂的反射和折射，这也将产生光学横向力。

另一种直观通俗的解释是，手性材料在对不同旋向的圆偏光的反射和散射效率不同。

例如，左旋手性材料对左旋右旋的圆偏光的作用效果截然不同。

如果手性颗粒放置在界面上，圆偏振光的自旋角动量将会转换为轨道角动量，从而产生横向力。

而线偏振光可以分解成左旋圆偏光和右旋圆偏光的叠加。

用线偏振光照射处于界面的手性微球的时候，其分解的左旋右旋圆偏光在正负横向的散射必然是不相同的，从而产生横向的净动量和光学横向力。

当然，如果将手性微米球非严谨地看成界面上下两个偶极子，也是可以用公式推导出横向光学力。

而界面微米球的米氏散射过于复杂，严格的理论仿真可以在COMSOL中通过设置电磁场构造函数来进行。

作者通过仿真穿过微球前后的坡印廷矢量的变化来描绘光学横向力，如图4所示。

图4a描绘的是三维坡印廷矢量，我们可以看到当穿过微球以后其将会向+y方向发生偏转，由动量守恒，会在微球上产生一个负的横向力。

而光在xz面上也不同于普通的微球对光单纯的汇聚，而显现出更为发散的效果，如图4b所示。

图4c和4d描绘了相同的手性微球在s偏振的光不同的入射角的照射下，动量在两个相反的方向发生偏转，从而产生相反的横向力。

这种入射角引起的力的偏转在偶极子模型中是不存在的。

图4. 光子动量传递描绘光学横向力

为了试验中观测手性微球的光学横向力，作者巧妙地利用两圆柱透镜产生椭圆光斑，并将其投射到试验台上悬浮有颗粒的微槽中如图5所示。

为了消除光场梯度产生的光学梯度力的影响，作者将横向（y方向）的光斑长度控制在600微米左右，如图5c所示。

而纵向（x方向）的宽度为80微米来将颗粒束缚在x方向。

图5. 实验装置图

作者发现通过将入射角控制在45°可以消除颗粒大小和手性差异可能带来的可逆光学横向力的干扰，作者观测到不同旋向的手性颗粒向不同的方向运动，如图6a和6b所示。

左手和右手手性颗粒在s偏振光的作用下分别向+y和-y方向运动。

其运动的速度大小跟激光能量呈线性关系如图6c所示。

由运动速度测量出的光学横向力同时又与颗粒的大小呈近似线性关系，这与偶极子模型有很大不同，比较接近于米氏散射模型。

图6. 实验观测手性颗粒的光学横向力

最后，作者还发现，光学横向力的方向与入射光的偏振也有着很大关系。

例如同样大小同样手性的颗粒在受到s偏振和p偏振的照射下，会受到相反的光学横向力的作用，这与作者的理论模型相吻合。

作者在本文中理论和实验同时论证了手性微球所产生的可逆光学横向力。

打破了原先的颗粒手性一定，所受力的方向一定的认识。

同时作者采用的光学动量转换法对于研究奇异的光学力具有一定的普适作用。

另外实验方法简洁而精巧，也可以作为研究横向力的很好的平台。

同时，作者提出，下一步的工作可以在如何增强这种光学横向力上。

例如利用米氏谐振和法诺谐振等方法，使得力可以增强数十甚至数百倍。

另外，可以将此方法优化应用到检测化学和生物分子，以及手性药物中去。

对比传统的化学生物方法，光学方法具有非接触和少量样品检测等优点。

该论文题目是 Chirality-assisted lateral momentum transfer for bidirectional enantioselective separation，发表在 Light: Science & Applications 。