橫向光力矩概念被提出！研究建立新的光力矩理論

近日，中國科學院西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室聯合西班牙國家研究委員會和英國倫敦國王學院，在光子力學光力矩理論研究方面取得進展，預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。相關研究成果于7月24日發表在《自然-通訊》上。

光力矩（optical torque, OT）是光子力學/光學微操縱領域的基本概念，它和光力（optical force, OF）共同構成光驅動微觀粒子動力學運動的兩個基本因素，分別控制微小物體的自轉（繞自身質心的旋轉）和平動（質心運動）。由光力矩驅動的微納機械轉子是發展多物理場傳感和精密測量等技術的重要工具，也是研究生物動力學、檢驗基礎物理學理論（如真空摩擦和卡西米爾效應等）的關鍵技術手段。

人類對光力矩的認知可追溯至20世紀初物理學家波印廷（J. H. Poynting）的預言——圓偏振光可攜帶角動量并對物體施加力矩作用，該預言隨后被著名的Beth實驗驗證。如今人們把這種圓偏振光的動力學屬性稱為自旋角動量（SAM）。長期以來人們普遍認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，包括光動量誘導的輻射壓力、場強梯度產生的梯度力、自旋旋度導致的旋度力、虛動量力等。這些豐富的光力產生機制賦予了其靈活可調控性，并催生出負向光力（NOF）、橫向光力（LOF）等極具物理內涵和應用前景的新概念。

針對光力矩產生機制是否能突破光自旋角動量限制的問題，研究團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聯及其分類框架。結果揭示了兩類新的光力矩分量——光梯度力矩T_grad和光旋度力矩T_curl，它們分別通過光場的虛螺旋度梯度和動量旋度產生。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，因此可作用于與自旋角動量正交的方向。在此基礎上，團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旋轉可能性。

另一方面，該研究進一步揭示了光學軌道角動量（OAM）驅動微粒旋轉的基本原理，發現OAM與旋度力矩發生耦合，從而影響微粒自轉（即使微粒被捕獲在偏離光軸的位置），最終借助拓撲荷增強的動量旋度，可實現與入射SAM和OAM方向均相反的光學負力矩（NOT）。該結果不僅為光學負力矩的起源提供了新機理，同時也修正了人們長期秉持的傳統觀點，即光學軌道角動量僅與離軸微粒的軌道旋轉有關。

光力矩和光力理論框架對比示意圖。（課題組供圖）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50440-8