Science Advances：同济大学施宇智特聘研究员及其合作者在光自旋角动量引起的稳定横向力的研究上取得进展

撰稿|由课题组供稿

北京时间12月1日，同济大学物理科学与工程学院施宇智特聘研究员联合新加坡南洋理工大学刘爱群教授、日本理化所Franco Nori教授和和香港城市大学蔡定平教授、大连理工大学朱彤彤博士、上海交通大学刘景全教授、新加坡南洋理工大学张卉博士、香港城市大学王书波助理教授、香港科技大学陈子亭教授、台湾成功大学吴品颉助理教授和英国伦敦国王学院Anatoly V. Zayats教授，在Science子刊《Science Advances》在线发表题为《自旋角动量不均匀性引起的稳定光横向力》（Stable optical lateral forces from inhomogeneities of the spin angular momentum）的论文。该论文首次研究了单一简单光场中自旋角动量主导下的稳定光横向力，从理论和实验上揭示了一般光场中自旋角动量不均匀性对光力的作用机制。

光镊技术利用光和物质相互作用的力学效应产生光力对颗粒进行操控。常见的光力分为沿着光强梯度方向的梯度力和沿着光矢方向的散射力。光横向力作为垂直于光传播方向的一种特殊的光力，由于其特殊的物理特性和对对映体的有效分离等潜在应用，引起了人们很大的兴趣。尽管人们对光横向力进行了广泛深入的探索，但目前最简单的实现方式需要通过结构光场，利用自旋-轨道角动量的相互作用来产生光横向力，无法实现在单一简单光束中单纯利用光自旋角动量的作用产生光横向力。该研究团队从理论和实验上深入研究了一般光场中自旋角动量不均匀性对光力的作用机制，如图1所示。

研究表明，在单一松散汇聚的现状光束中，自旋角动量(SAM)的不均匀可以产生横向自旋动量（自旋角动量的旋度）。而颗粒在电偶极子和磁偶极子的相互作用下可以产生平行于横向自旋动量的光横向力。同时，理论预测下不同材质的颗粒如金属球和介电质球等由于极化率的不同会产生方向相反的光横向力。此外，由于光中轴线两侧自旋角动量的梯度方向相反，相应产生的横向自旋动量的方向也相反，从而产生方向相反的光横向力，如图1B-1D所示。

图1：单一线性光束中自旋角动量不均匀引起光横向力原理图

同时，该团队从理论上系统研究了光斑汇聚大小、光束偏振、粒子位置和尺寸等参数对光横向力的影响，如图2所示。位于光场一侧固定材质的颗粒所受光横向力的方向与光场偏振有关，且力的最大值对应于左右旋偏振光；而同一粒子位于光束两侧时，会受到方向相反的光横向力；此外，光横向力的大小与颗粒的大小呈线性关系。

图2：光横向力与光和颗粒参数的变化关系

该团队还巧妙地设计了实验来观察光横向力，如图3所示。为了消除界面导致的自旋-轨道角动量的耦合对光横向力的影响，采用了周围介质折射率匹配衬底折射率的方式，构造了介电常数均一的环境。实验结果表明，直径5微米的粒子在具有相反自旋动量的光束两侧沿着相反的方向运动，而对于左旋和右旋偏振的光场，粒子运动方向同样相反。光力定量测量表明，光横向力的大小与激光功率呈线性关系，且存在使颗粒运动的最小激光能量以产生光横向力克服摩擦力和惯性的作用，如图4所示。如图4B所示，光横向力的大小和方向与光场偏振具有sine函数关系，这与理论预测结果（图2D）相符。

图3：自旋角动量不均匀引起的光学横向力的实验观察

图4：自旋角动量不均匀诱导的光横向力的实验定量分析

该研究首次系统性地研究了一般光场中光自旋角动量不均匀性产生光力的机制，排除了自旋-轨道角动量的相互作用对光力带来的影响，实现了单一光束中由自旋角动量主导的稳定的光横向力。该研究也为特殊光力的探测和光流控颗粒分选等提供了新思路。

同济大学物理科学与工程学院施宇智特聘研究员为论文第一作者兼共同通讯作者，新加坡南洋理工大学刘爱群教授、日本理化所Franco Nori教授和和香港城市大学蔡定平教授为论文共同通讯作者。合作者包括大连理工大学朱彤彤博士、上海交通大学刘景全教授、新加坡南洋理工大学张卉博士、香港城市大学王书波助理教授、香港科技大学陈子亭教授、台湾成功大学吴品颉助理教授和英国伦敦国王学院Anatoly V. Zayats教授。该研究得到了同济大学科研启动经费支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2291