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，研制出一種新型光學微操控工具——單光束“三維光學扳手”。這種光學扳手能夠利用單個聚焦的激光光束對微粒（如細胞）施加三維可控的光力矩（Optical torque），從而實現(xiàn)微觀粒子動態(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)表于國際學術(shù)期刊《自然·通訊》[Nature Communications 16: 593 (2025)]。

光鑷，又被稱為“單光束梯度力阱”，是美國科學家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于1986年發(fā)明的一種激光工具�？茖W家利用它能夠抓取和操縱單個分子、病毒、細胞等微觀世界的物體。光鑷由此成為人類研究微觀世界的重要操控工具，阿什金也因此獲得了2018年諾貝爾物理學獎。光鑷本質(zhì)上是利用光的動量傳遞對微粒施加光力實現(xiàn)三維操控的。光既具有動量也能攜帶角動量，在與微粒相互作用時光的角動量傳遞能夠產(chǎn)生光扭矩，進而驅(qū)動微粒旋轉(zhuǎn)運動。例如，攜帶自旋角動量的聚集激光光束不僅能夠施加光力捕獲微粒，還會對物體施加旋轉(zhuǎn)的扭矩，就像一個扳手在扳動物體一樣，因而被形象地稱為一種 “光學扳手”。這種光學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，主要是因為光的自旋角動量方向通常被光軸方向鎖定。為突破該局限性，2022年物理學家Halina Rubinsztein-Dunlop團隊通過左右旋光束的對稱疊加實現(xiàn)了橫向自旋及橫向力矩[Nat. Photonics 16, 346–351 (2022)]，進而驅(qū)動微粒橫軸轉(zhuǎn)動（圖1. 1a）。但目前光學扳手的旋轉(zhuǎn)操控仍局限于一維固定軸，無法實現(xiàn)微粒的三維旋轉(zhuǎn)操控。

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圖1.單光束三維光學扳手示意圖

為解決該問題，研究團隊深入研究聚焦光場三維自旋角動量的定量調(diào)控方法及其光扭矩效應(yīng)，理論推導聚焦光場自旋角動量與入射光場局部偏振螺旋度的定量方程，并提出了通過單個調(diào)制光束實現(xiàn)時變?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，進而操控微粒在不同時間沿著指定三維轉(zhuǎn)軸做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動（圖1. 1c），被稱為“三維光學扳手”。團隊還利用該技術(shù)實現(xiàn)了活體細胞的三維旋轉(zhuǎn)操控。該技術(shù)實現(xiàn)了激光對微粒的全自由度操控，將光鑷對微粒的三維平移操控拓展到三維平移與轉(zhuǎn)動同時操控。光鑷新的操控功能有望在細胞三維層析、光學傳感、微機器人等領(lǐng)域激發(fā)新的應(yīng)用。

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、安徽省自然科學基金和唐仲英基金會的資助。

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