近日，我院光场调控与微纳光子学课题组，在光驱动金属颗粒在超小轨道半径高速旋转方向取得重要研究进展。相关研究成果以“Superfast and sub-wavelength orbital rotation of plasmonic particles in focused Gaussian beams”为题发表在《Applied Physics Letters》(Appl. Phys. Lett. 123, 031111, 2023)上。

光学操控（Optical Manipulation），是利用光的力学效应来操控物体的科学技术，它最有名的应用之一就是光镊（Optical Tweezers）。光学操控在生物学、医学、原子物理学、光力传感等领域具有重要应用价值。近年来，引入纳米光子学原理的先进光学操控，因其具备纳米尺度上颗粒的高效精准操控能力，引起了人们的广泛兴趣。光学操控除了能够对目标物体或颗粒进行捕获、移动、自旋外，还可以实现其轨道旋转。本研究提出了一种微纳颗粒在亚波长轨道进行超高速旋转的方案，可利用常规的聚焦高斯光束驱动金属颗粒加以实现。

通常，目标物体比如微纳颗粒往往被捕获在光斑中心。但为了实现粒子的轨道运动，首先需要离轴捕获颗粒。金属颗粒的介电常数具有较强的色散，并且支持局域表面等离激元共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR），这导致了通常为正的颗粒极化率实部，在一定的波长范围会出现负的情况。颗粒在光束中，沿着径向方向的梯度力在极化率实部为正时方向为负；反之，径向光学梯度力则为正（即背离光斑中心），这为颗粒离轴捕获提供了可能。本研究利用两束不同波长的高斯激光束，基于表面等离子体共振效应，一个波长的光产生正径向力，另一波长产生负径向力，实现了金属颗粒在聚焦高斯光束中的离轴位置捕获。颗粒离轴捕获的空间位置可通过入射光束的功率实现亚波长尺度的精确调控。此外，对于紧聚焦的圆偏振高斯光束，光子的自旋角动量可耦合转化为轨道角动量，进而能够驱动被离轴捕获的颗粒做轨道旋转。对所提出的光力耦合体系，局域等离子体共振效应可显著增大颗粒的散射截面，使得光子-颗粒间的动量耦合转移效率极大提升，进而能实现被离轴捕获颗粒的超高速轨道旋转。通常实验室条件下，颗粒在水溶液中的轨道转速可高达10⁴转/秒。

该研究中纳米颗粒的离轴捕获距离和旋转轨道半径突破了衍射极限，且可以通过入射激光功率进行动态调控。提出的光学操控方案对实验条件要求相对简单，不需要颗粒具有非线性，不需要飞秒激光设备，不需要复杂光束、复合结构颗粒或纳米加工制造的辅助轨道。相关研究结果为实现超衍射极限微纳米颗粒的光学操控和运动控制提供了新方案，将在微/纳米流变学、微流体力学、生物学以及光驱动纳米机器等领域具有应用价值。

图1 研究方案示意图和机理图。(a)通过紧聚焦高斯光束对颗粒进行光学捕获和轨道旋转的装置示意图。(b)常规的光学捕获将颗粒捕获在光斑中心。(c)本研究的方案可以将颗粒捕获在离轴位置且进行旋转。(d)离轴捕获和轨道旋转的原理：两种不同波长的激光束对颗粒在径向方向上由于等离子体共振现象可以施加相反方向的力（绿色和红色线表示），两个力平衡时即可将颗粒捕获在离轴位置；光束由于紧聚焦产生的角向动量进一步驱动颗粒使其进行轨道旋转。

该工作的第一单位为合肥工业大学，第一作者为物理学院周雷鸣副研究员，通讯作者为物理学院胡继刚教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和合肥工业大学中央高校业务费等项目的支持。

研究论文原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0156489

（周雷鸣/图文  高伟清/审核）