Nano Letters:超复合多极子模式增强的光力矩及线偏振光激发的超快纳米转子

撰稿|由课题组供稿

近日，上海交通大学施宇智副教授（课题组组长为上海交大微纳电子学系主任刘景全教授）、新加坡南洋理工大学刘爱群教授和新加坡国立大学院长讲席仇成伟教授从理论上发现了由复合光学模式叠加的超复合多极子模式可以极大地增强增益材料的纳米三棱柱中的力矩。该超复合多极子模式不同于先前广泛研究的偶极子复合模式例如anapole和超级腔（连续域中的束缚态）等。本项研究具有以下创新之处：

1） 光学增益颗粒区别于传统的耗散颗粒，可以轻易地产生特殊的现象，例如：特殊模式、异常的散射、极大的力和力矩等。

2） 复合模式例如磁四极子和电环形偶极子可以数百倍增强光学力和力矩。两个复合模式可以进一步复合为超复合多极子模式，进一步增强光力矩。

3） s和p偏振的光有着截然不同的散射截面谱，且在特定的复合模式下有着极大增强的相反力矩。通过调控s和p偏振的光，可以构建超快纳米转子，这区别于传统由圆偏振光控制的转子。

该纳米三棱柱设计可以作为高速纳米传输机器人和超快纳米转子，在生物医学中具有潜在的应用。同时，（超）复合多极子模式可以为超表面的设计提供一定的思路。相关理论研究成果以“Super-hybrid mode enhanced optical torques on Mie-resonant particles”为题发表于《Nano Letters》。

 光可以在细小的颗粒上施加光学力，从而产生力矩。光力矩广泛存在于光学操控中并在生物科学、物理学和量子科学中应用广泛。通常，圆偏振光由于自身带有自旋角动量，通过自旋动量的转换被广泛在一些非极化对称的结构上激发产生力矩。然而该力矩的大小通常较小，且颗粒旋转的方向与光的自旋方向相一致，通常被称为“正力矩”，如研究团队先前的工作（ACS Nano 2019, 13, 10, 12070–12080）。近年来，研究人员发现在一些特殊的系统中存在着与光自旋方向相反的力矩，并称之为“负力矩”或“左手力矩”。主要的研究系统包括相位延迟板、颗粒簇、楔形颗粒和手性金等离子薄片中。尽管正负光力矩得到了广泛的研究，目前还未有报道在非手性颗粒中利用线性偏振光实现颗粒的旋转的案例。

图1 线偏振光激发下的复合多极子模式和极大增强的正负力矩和散射截面谱。

s和p偏振下，随a和t变化的光力矩谱均存在一条明显的谐振谱线，分别如图2a和2b所示。然而，让人出乎意料的是，s和p偏振下，这两条谐振谱线存在着方向相反的极大增强的力矩，分别为负和正力矩。同时，力矩方向也可以从散射坡印廷矢量图分析得出，如图2c-2f所示。顺时针旋转的散射坡印廷矢量可以推断出逆时针的（负）力矩。相反，逆时针旋转的散射坡印廷矢量可以推断出正时针的（正）力矩。

图2 极大增强的正负力矩和散射坡印廷矢量。

通过对模式1，2，3和6中的电流和磁流分析，研究人员发现，模式1由电环形四极子和磁四极子复合而成（图3a）；模式2由两个电环形偶极子复合成一个电环形四极子（图3b）；模式3是模式1和2的叠加（图3c）；而模式6是一个磁四极子（图3d）。不同方向分布的电流和磁流导致了不同方向的力和力矩。

图3 s偏振下的力、力矩和多极子分析。

不同模式下多极子的分析可以进一步通过多极子展开得到。从4a所示的与模式1同一参数设计的多极子展开曲线可以得出，磁四极子和电环形偶极子在532纳米波长下占主导地位，这与图3a的电、磁流分析一致。同时，通过s和p偏振的叠加，以及引入相位差，可以将力矩从正向负平稳转变，找到力矩最大的设计，如图4b所示。三棱柱自身旋转角度对力矩也有着明显的影响，如图4c所示。在模式1和3的尺寸系统下，s和p偏振在所有的角度均有着相反的力矩，且均在60度的周期下发生反转。因此，通过在反转角度（30、90等）下切换s和p偏振，可以实现持续一个方向旋转三棱柱，如图4d所示。

图4 多极子展开和线偏振光激发下的超快纳米转子。

该研究成果探究了光学增益颗粒中异常的散射、力和力矩；研究了复合和超复合多极子模式对力和力矩的影响；构建了线偏振光下超快转子，为光镊操控提供了新的思路，在生物医学以及超构表面的设计等方面也有着潜在的广泛应用。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00050

施宇智、刘爱群和仇成伟课题组近年来光镊操控方向的代表性研究成果如下：

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