近日，中科院西安光機(jī)所聯(lián)合西班牙國家研究委員會和英國倫敦國王學(xué)院，在光子力學(xué)光力矩理論研究方面取得進(jìn)展，預(yù)言了光梯度力矩和光旋度力矩的存在，并提出了橫向光力矩的概念。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

光力矩（OT）是光子力學(xué)/光學(xué)微操縱領(lǐng)域的基本概念，它和光力（OF）共同構(gòu)成光驅(qū)動微觀粒子動力學(xué)運(yùn)動的兩個基本因素，分別控制微小物體的自轉(zhuǎn)（繞自身質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)）和平動（質(zhì)心運(yùn)動）。由光力矩驅(qū)動的微納機(jī)械轉(zhuǎn)子是發(fā)展多物理場傳感和精密測量等技術(shù)的重要工具，也是研究生物動力學(xué)、檢驗基礎(chǔ)物理學(xué)理論（如真空摩擦和卡西米爾效應(yīng)等）的關(guān)鍵技術(shù)手段。

光力矩和光力理論框架對比示意圖

人類對光力矩的認(rèn)知可追溯至20世紀(jì)初物理學(xué)家波印廷（J. H. Poynting）的預(yù)言——圓偏振光可攜帶角動量并對物體施加力矩作用，該預(yù)言隨后被著名的Beth實驗驗證。如今人們把這種圓偏振光的動力學(xué)屬性稱為自旋角動量（SAM）。長期以來，人們普遍認(rèn)為作用于各向同性非手性粒子的光力矩只能由光場的自旋角動量產(chǎn)生。與之形成鮮明對比的是光力的種類多樣性，包括光動量誘導(dǎo)的輻射壓力、場強(qiáng)梯度產(chǎn)生的梯度力、自旋旋度導(dǎo)致的旋度力、虛動量力等。這些豐富的光力產(chǎn)生機(jī)制賦予了其靈活可調(diào)控性，并催生出負(fù)向光力（NOF）、橫向光力（LOF）等極具物理內(nèi)涵和應(yīng)用前景的新概念。

針對光力矩產(chǎn)生機(jī)制是否能突破光自旋角動量限制的問題，該研究團(tuán)隊基于笛卡爾多極子展開法，建立了新的光力矩理論，給出了光力矩與入射光場物理量的關(guān)聯(lián)及其分類框架。結(jié)果揭示了兩類新的光力矩分量——光梯度力矩Tgrad和光旋度力矩Tcurl，它們分別通過光場的虛螺旋度梯度和動量旋度產(chǎn)生。由于這兩類力矩在一般情況下均和光自旋角動量線性無關(guān)，因此可作用于與自旋角動量正交的方向。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊提出了橫向光力矩（LOT）的概念，并展示了在LOT作用下使物體朝垂直于光自旋角動量的方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)可能性。

另一方面，該研究進(jìn)一步揭示了光學(xué)軌道角動量（OAM）驅(qū)動微粒旋轉(zhuǎn)的基本原理，發(fā)現(xiàn)OAM與旋度力矩發(fā)生耦合，從而影響微粒自轉(zhuǎn)（即使微粒被捕獲在偏離光軸的位置），最終借助拓?fù)浜稍鰪?qiáng)的動量旋度，可實現(xiàn)與入射SAM和OAM方向均相反的光學(xué)負(fù)力矩（NOT）。該結(jié)果不僅為光學(xué)負(fù)力矩的起源提供了新機(jī)理，同時也修正了人們長期秉持的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即光學(xué)軌道角動量僅與離軸微粒的軌道旋轉(zhuǎn)有關(guān)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50440-8