光具有角動量屬性。圓偏振或橢圓偏振光束攜帶自旋角動量（SAM），具有螺旋相位波前的光束攜帶軌道角動量（OAM）。在光與微粒相互作用過程中，角動量的傳遞能夠產(chǎn)生光力矩，驅(qū)動微粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。其中，光自旋角動量的傳遞將驅(qū)動微粒繞著自轉(zhuǎn)軸做自旋運動，而軌道角動量的傳遞能驅(qū)動微粒繞著光軸做旋轉(zhuǎn)運動。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)用于光學傳感、光微流變學、微機器人等領(lǐng)域。

近日，中國科大光學與光學工程系龔雷副教授課題組與新加坡國立大學仇成偉教授開展合作，揭示了光致微粒自旋一種新的物理機制，發(fā)現(xiàn)入射光束即使不攜帶自旋角動量，經(jīng)過強聚焦后也能產(chǎn)生可控自旋力矩。該機制利用光學霍爾效應(yīng)，通過調(diào)控聚焦場自旋-軌道相互作用，實現(xiàn)了聚焦場自旋角動量的局域傳遞，進而驅(qū)動被捕獲微粒產(chǎn)生連續(xù)自旋運動。相關(guān)研究成果于6月21日以“Controllable Microparticle Spinning via Light without Spin Angular Momentum”為題在線發(fā)表于國際知名學術(shù)期刊《物理評論快報》。

圖1. 光致微粒自旋的物理機制示意圖

由于自旋-軌道相互作用，線偏振或徑向偏振光束的兩個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量級，在與微粒相互作用時無法有效傳遞自旋角動量，不能驅(qū)動微粒自旋[圖1.(d,e)]。研究團隊巧妙地運用光學軌道霍爾效應(yīng)來調(diào)控聚焦場自旋角動量密度分布，通過在入射徑向偏振光場引入軌道角動量疊加態(tài)[圖1.(c)]，有效調(diào)控兩個自旋分量的徑向間距，實現(xiàn)了聚焦場自旋角動量對微觀粒子的局域傳遞，最終實現(xiàn)了粒子的可控自轉(zhuǎn)操控[圖1.(f)]。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步開發(fā)全息光鑷的并行操控功能，通過調(diào)控入射光場波前，實現(xiàn)了多粒子同時捕獲，獨立平移和旋轉(zhuǎn)操控。該研究揭示了軌道角動量調(diào)控聚焦光場自旋的原理，并為光學自旋-軌道相互作用導致的力學效應(yīng)研究提供了新的思路。

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

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