中國(guó)科大揭示光致微粒旋轉(zhuǎn)新的物理機(jī)制

光具有角動(dòng)量屬性。圓偏振或橢圓偏振光束攜帶自旋角動(dòng)量（SAM），具有螺旋相位波前的光束攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）。在光與微粒相互作用過(guò)程中，角動(dòng)量的傳遞能夠產(chǎn)生光力矩，驅(qū)動(dòng)微粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，光自旋角動(dòng)量的傳遞將驅(qū)動(dòng)微粒繞著自轉(zhuǎn)軸做自旋運(yùn)動(dòng)，而軌道角動(dòng)量的傳遞能驅(qū)動(dòng)微粒繞著光軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。光致旋轉(zhuǎn)為微觀粒子操控提供了新的維度，已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感、光微流變學(xué)、微機(jī)器人等領(lǐng)域。

近日，中國(guó)科大光學(xué)與光學(xué)工程系龔雷副教授課題組與新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授開(kāi)展合作，揭示了光致微粒自旋一種新的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)入射光束即使不攜帶自旋角動(dòng)量，經(jīng)過(guò)強(qiáng)聚焦后也能產(chǎn)生可控自旋力矩。該機(jī)制利用光學(xué)霍爾效應(yīng)，通過(guò)調(diào)控聚焦場(chǎng)自旋-軌道相互作用，實(shí)現(xiàn)了聚焦場(chǎng)自旋角動(dòng)量的局域傳遞，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)被捕獲微粒產(chǎn)生連續(xù)自旋運(yùn)動(dòng)。相關(guān)研究成果于6月21日以“Controllable Microparticle Spinning via Light without Spin Angular Momentum”為題在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

圖1. 光致微粒自旋的物理機(jī)制示意圖

由于自旋-軌道相互作用，線(xiàn)偏振或徑向偏振光束的兩個(gè)自旋分量在緊聚焦條件下將產(chǎn)生橫向分離，即為一種光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)[圖1.(a, b)]。然而，這種自旋劈裂的間距只有亞波長(zhǎng)量級(jí)，在與微粒相互作用時(shí)無(wú)法有效傳遞自旋角動(dòng)量，不能驅(qū)動(dòng)微粒自旋[圖1.(d,e)]。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地運(yùn)用光學(xué)軌道霍爾效應(yīng)來(lái)調(diào)控聚焦場(chǎng)自旋角動(dòng)量密度分布，通過(guò)在入射徑向偏振光場(chǎng)引入軌道角動(dòng)量疊加態(tài)[圖1.(c)]，有效調(diào)控兩個(gè)自旋分量的徑向間距，實(shí)現(xiàn)了聚焦場(chǎng)自旋角動(dòng)量對(duì)微觀粒子的局域傳遞，最終實(shí)現(xiàn)了粒子的可控自轉(zhuǎn)操控[圖1.(f)]。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)全息光鑷的并行操控功能，通過(guò)調(diào)控入射光場(chǎng)波前，實(shí)現(xiàn)了多粒子同時(shí)捕獲，獨(dú)立平移和旋轉(zhuǎn)操控。該研究揭示了軌道角動(dòng)量調(diào)控聚焦光場(chǎng)自旋的原理，并為光學(xué)自旋-軌道相互作用導(dǎo)致的力學(xué)效應(yīng)研究提供了新的思路。

中國(guó)科大光學(xué)與光學(xué)工程系博士生吳一京為論文第一作者，中國(guó)科大龔雷副教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授為論文的通訊作者。上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.253803