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，研制出一種新型光學(xué)微操控工具——單光束“三維光學(xué)扳手”。這種光學(xué)扳手能夠利用單個(gè)聚焦的激光光束對(duì)微粒（如細(xì)胞）施加三維可控的光力矩（Optical torque），從而實(shí)現(xiàn)微觀粒子動(dòng)態(tài)可控的三維旋轉(zhuǎn)操控，極大拓展了光鑷技術(shù)的操控功能。相關(guān)研究成果于2025年1月11日以“Time-varying 3D optical torque via a single beam”為題在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》[Nature Communications 16: 593 (2025)]。

光鑷，又被稱(chēng)為“單光束梯度力阱”，是美國(guó)科學(xué)家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于1986年發(fā)明的一種激光工具�？茖W(xué)家利用它能夠抓取和操縱單個(gè)分子、病毒、細(xì)胞等微觀世界的物體。光鑷由此成為人類(lèi)研究微觀世界的重要操控工具，阿什金也因此獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光鑷本質(zhì)上是利用光的動(dòng)量傳遞對(duì)微粒施加光力實(shí)現(xiàn)三維操控的。光既具有動(dòng)量也能攜帶角動(dòng)量，在與微粒相互作用時(shí)光的角動(dòng)量傳遞能夠產(chǎn)生光扭矩，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)微粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如，攜帶自旋角動(dòng)量的聚集激光光束不僅能夠施加光力捕獲微粒，還會(huì)對(duì)物體施加旋轉(zhuǎn)的扭矩，就像一個(gè)扳手在扳動(dòng)物體一樣，因而被形象地稱(chēng)為一種 “光學(xué)扳手”。這種光學(xué)扳手極大地拓展了光鑷的操控功能，使其不僅能平移而且能旋轉(zhuǎn)微粒。然而，這種光學(xué)扳手施加旋轉(zhuǎn)扭矩的方向十分局限，一般僅沿著光軸方向，主要是因?yàn)楣獾淖孕�角�?dòng)量方向通常被光軸方向鎖定。為突破該局限性，2022年物理學(xué)家Halina Rubinsztein-Dunlop團(tuán)隊(duì)通過(guò)左右旋光束的對(duì)稱(chēng)疊加實(shí)現(xiàn)了橫向自旋及橫向力矩[Nat. Photonics 16, 346–351 (2022)]，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)微粒橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)（圖1. 1a）。但目前光學(xué)扳手的旋轉(zhuǎn)操控仍局限于一維固定軸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)微粒的三維旋轉(zhuǎn)操控。

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圖1.單光束三維光學(xué)扳手示意圖

為解決該問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)深入研究聚焦光場(chǎng)三維自旋角動(dòng)量的定量調(diào)控方法及其光扭矩效應(yīng)，理論推導(dǎo)聚焦光場(chǎng)自旋角動(dòng)量與入射光場(chǎng)局部偏振螺旋度的定量方程，并提出了通過(guò)單個(gè)調(diào)制光束實(shí)現(xiàn)時(shí)變?nèi)�維光扭矩的技術(shù)方案（圖1. 1b）。這種調(diào)制的激光光束能夠施加任意方向的旋轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)而操控微粒在不同時(shí)間沿著指定三維轉(zhuǎn)軸做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（圖1. 1c），被稱(chēng)為“三維光學(xué)扳手”。團(tuán)隊(duì)還利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了活體細(xì)胞的三維旋轉(zhuǎn)操控。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了激光對(duì)微粒的全自由度操控，將光鑷對(duì)微粒的三維平移操控拓展到三維平移與轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)操控。光鑷新的操控功能有望在細(xì)胞三維層析、光學(xué)傳感、微機(jī)器人等領(lǐng)域激發(fā)新的應(yīng)用。

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、安徽省自然科學(xué)基金和唐仲英基金會(huì)的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55781-y