近日，瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室姚保利研究員團隊，聯(lián)合暨南大學李寶軍團隊、新加坡國立大學仇成偉教授、西班牙國家研究委員會Nieto-Vesperinas教授，提出廣義電磁虛動量力的高階理論模型，全面揭示了光學力與虛坡印廷動量之間的普適性聯(lián)系，并首次從實驗上驗證了電磁虛動量力對微粒的動力學操控，為電磁虛動量的有質(zhì)動力學特性提供了直接證據(jù)。研究成果以“Observation of high-order imaginary Poynting momentum optomechanics in structured light”為題，發(fā)表于10月24日新一期的綜合性科技期刊——美國科學院院刊PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。文章第一和共同第一作者為西安光機所周源和暨南大學徐孝浩。

光學力（光力、光子力）是光（光子）與微小粒子相互作用時由于動量傳遞導致的力，可以對微粒進行操控（稱之為光子力學）。由此產(chǎn)生的光鑷技術(shù)，自1986年誕生以來，作為一種不可替代的工具，已被廣泛應用于物理、化學、生物和醫(yī)學等領域，產(chǎn)生了巨大影響。迄今為止，共有三次諾貝爾物理學獎直接或間接與光鑷技術(shù)相關(guān)（1997年，2001年，2018年）。

通常認為在光鑷中，入射光場施加在粒子上的光學力由強度梯度和相位梯度引起，對應于梯度力和輻射壓力。其中的輻射壓力直接與光場的實坡印廷動量（即坡印廷矢量的實部，也即通常認為的光學動量）相關(guān)。2010年，Nieto-Vesperinas提出(Opt. Express18, 11428-11443)，長期以來被忽略的、被認為無物理意義的虛坡印廷動量（即坡印廷矢量的虛部，IPM，也稱為電磁虛動量）也能產(chǎn)生力學效應。這為我們認識光學動量這一基本的光場動力學特性提供了新的視野，同時也為應用光鑷來操控粒子開辟了一個新的自由度。然而，目前的IPM理論僅限于光與偶極子的相互作用框架，且沒有關(guān)于虛動量力存在的明確實驗證據(jù)。

鑒于上述問題，研究團隊基于多極矩張量理論和角譜展開法，從理論上嚴格推導出了IPM在任意尺寸微粒上誘導的光學力表達式。該解析模型可適用于任意階多極子，全面揭示了光學力與IPM之間的普適性關(guān)聯(lián)，為實現(xiàn)不同階、多種類型（包括電、磁、混合型）的虛動量力提供了完整的理論方法。新的普適公式表明，IPM對微粒具有非局域的有質(zhì)動力學效應，即微粒在每個位置的力學響應不僅取決于該位置的IPM，還取決于其它位置的場量。在光學微操縱領域，光強梯度力和輻射壓力是基于偶極子模型定義的兩類光學力，在以往的研究中經(jīng)常被用來解釋或討論相關(guān)物理現(xiàn)象，即使操控對象無法被近似為偶極子。本研究將有助于改變這一現(xiàn)狀，促使相關(guān)領域的研究人員利用我們提出的理論和方法，發(fā)展高階光強梯度力和輻射壓理論，完善光子力學理論體系，從而為物理學、生命科學各相關(guān)分支的發(fā)展提供新的助力。

另一方面，為從實驗上尋找虛動量力的直接證據(jù)，研究團隊借鑒完美渦旋光場調(diào)控手段，構(gòu)建出只攜帶虛動量渦旋的矢量光場，排除了實動量的影響，從而可以對IPM誘導的光學力進行獨立探測。更為重要的是，當金屬微粒被該矢量光場捕獲時，偶極子散射將被完全抑制，而只激發(fā)由高階多極子散射貢獻的虛動量力，為觀測高階虛動量力提供了理想條件?；谶@種結(jié)構(gòu)光場，研究人員在無普通光學軌道角動量（OAM）入射的實驗條件下，實現(xiàn)了對金微米小球的旋轉(zhuǎn)操控，并成功觀察到了在聚焦光場亮環(huán)內(nèi)外側(cè)，IPM對金微粒的不同非局域作用導致的不同旋轉(zhuǎn)方向和速度（如圖1所示）。這是國際上首例基于電磁虛動量的光學微操縱實驗，為推動電磁虛動量這一原先只在理論上存在的概念向?qū)嶋H應用邁出了關(guān)鍵一步，對于發(fā)展新型光扳手與光學轉(zhuǎn)子技術(shù)具有重要的參考價值，同時也為探索虛動量的其它應用場景如激光冷卻、真空懸浮及光學分選等提供啟發(fā)。

圖1 驗證光學虛動量力的微粒旋轉(zhuǎn)實驗。(a)產(chǎn)生光學虛動量渦旋的全息光鑷實驗裝置；(b)兩個金小球被分別捕獲在IPM渦旋光束的內(nèi)外側(cè)平衡位置，并沿不同方向做軌道運動。

姚保利團隊在特殊光場與微粒相互作用理論及光學微操縱技術(shù)方面開展了長期的研究工作，在特殊光場全息光鑷研發(fā)方面積累了豐富的經(jīng)驗，開發(fā)的激光光鑷產(chǎn)品成功投放于市場并出口加拿大。此次研究成果得益于團隊前期扎實的工作積累，同時更得益于國內(nèi)外三個合作團隊的密切配合和大力支持，使本工作在理論和實驗上取得了完美的結(jié)果，同時也為今后進一步的合作奠定了良好的基礎。

審核編輯：郭婷