基于電磁虛動量力對微粒的動力學(xué)操控

近日，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室研究員姚保利團隊，聯(lián)合暨南大學(xué)李寶軍團隊、新加坡國立大學(xué)教授仇成偉、西班牙國家研究委員會教授Nieto-Vesperinas，提出廣義電磁虛動量力的高階理論模型，全面揭示了光學(xué)力與虛坡印廷動量之間的普適性聯(lián)系，并首次從實驗上驗證了電磁虛動量力對微粒的動力學(xué)操控，為電磁虛動量的有質(zhì)動力學(xué)特性提供了直接證據(jù)。研究成果發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）。

光學(xué)力（光力、光子力）是光（光子）與微小粒子相互作用時由于動量傳遞導(dǎo)致的力，可以對微粒進行操控（稱之為光子力學(xué)）。由此產(chǎn)生的光鑷技術(shù)，自1986年誕生以來，作為一種不可替代的工具，已被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大影響。迄今為止，共有三次諾貝爾物理學(xué)獎直接或間接與光鑷技術(shù)相關(guān)。

通常認為在光鑷中，入射光場施加在粒子上的光學(xué)力由強度梯度和相位梯度引起，對應(yīng)于梯度力和輻射壓力。其中的輻射壓力直接與光場的實坡印廷動量（即坡印廷矢量的實部，也即通常認為的光學(xué)動量）相關(guān)。2010年，Nieto-Vesperinas提出，長期以來被忽略的、被認為無物理意義的虛坡印廷動量（即坡印廷矢量的虛部，IPM，也稱為電磁虛動量）也能產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)。這為我們認識光學(xué)動量這一最基本的光場動力學(xué)特性提供了新的視野，同時也為應(yīng)用光鑷來操控粒子開辟了一個新的自由度。然而，目前的IPM理論僅限于光與偶極子的相互作用框架，且沒有關(guān)于虛動量力存在的明確實驗證據(jù)。

鑒于上述問題，研究團隊基于多極矩張量理論和角譜展開法，從理論上嚴格推導(dǎo)出了IPM在任意尺寸微粒上誘導(dǎo)的光學(xué)力表達式。該解析模型可適用于任意階多極子，全面揭示了光學(xué)力與IPM之間的普適性關(guān)聯(lián)，為實現(xiàn)不同階、多種類型（包括電、磁、混合型）的虛動量力提供了完整的理論方法。新的普適公式表明，IPM對微粒具有非局域的有質(zhì)動力學(xué)效應(yīng)，即微粒在每個位置的力學(xué)響應(yīng)不僅取決于該位置的IPM，還取決于其它位置的場量。在光學(xué)微操縱領(lǐng)域，光強梯度力和輻射壓力是基于偶極子模型定義的兩類光學(xué)力，在以往的研究中經(jīng)常被用來解釋或討論相關(guān)物理現(xiàn)象，即使操控對象無法被近似為偶極子。本研究將有助于改變這一現(xiàn)狀，促使相關(guān)領(lǐng)域的研究人員利用提出的理論和方法，發(fā)展高階光強梯度力和輻射壓理論，完善光子力學(xué)理論體系，從而為物理學(xué)、生命科學(xué)各相關(guān)分支的發(fā)展提供新的助力。

另一方面，為從實驗上尋找虛動量力的直接證據(jù)，研究團隊借鑒完美渦旋光場調(diào)控手段，構(gòu)建出只攜帶虛動量渦旋的矢量光場，排除了實動量的影響，從而可以對IPM誘導(dǎo)的光學(xué)力進行獨立探測。更為重要的是，當金屬微粒被該矢量光場捕獲時，偶極子散射將被完全抑制，而只激發(fā)由高階多極子散射貢獻的虛動量力，為觀測高階虛動量力提供了理想條件?；谶@種結(jié)構(gòu)光場，研究人員在無普通光學(xué)軌道角動量（OAM）入射的實驗條件下，實現(xiàn)了對金微米小球的旋轉(zhuǎn)操控，并成功觀察到了在聚焦光場亮環(huán)內(nèi)外側(cè)，IPM對金微粒的不同非局域作用導(dǎo)致的不同旋轉(zhuǎn)方向和速度（如圖）。這是國際上首例基于電磁虛動量的光學(xué)微操縱實驗，為推動電磁虛動量這一原先只在理論上存在的概念向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步，對于發(fā)展新型光扳手與光學(xué)轉(zhuǎn)子技術(shù)具有重要參考價值，同時也為探索虛動量的其它應(yīng)用場景如激光冷卻、真空懸浮及光學(xué)分選等提供啟發(fā)。

驗證光學(xué)虛動量力的微粒旋轉(zhuǎn)實驗。(a)產(chǎn)生光學(xué)虛動量渦旋的全息光鑷實驗裝置；(b)兩個金小球被分別捕獲在IPM渦旋光束的內(nèi)外側(cè)平衡位置，并沿不同方向做軌道運動。