中国科学院瞬态光学与光子技术国家重点实验室在光子力学光力矩理论研究取得突破
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中国科学院西安光学精密机械研究所的瞬态光学与光子技术国家重点实验室携手西班牙国家研究委员会和英国伦敦国王学院，在光子力学光力矩理论研究领域取得了令人瞩目的进展。研究团队不仅预言了光梯度力矩和光旋度力矩的存在，还创新性地提出了横向光力矩的概念，这一成果对于推动光学微操纵、多物理场传感及精密测量等领域的发展具有重要意义。 光力矩（Optical Torque, OT）作为光子力学/光学微操纵领域的基本概念，与光力（Optical Force, OF）共同构成了光驱动微观粒子动力学运动的两个基本因素。光力矩主要控制微小物体的自转（绕自身质心的旋转），而光力则控制其平动（质心运动）。此次研究，通过对光力矩产生机制的深入探索，研究团队打破了长期以来光力矩仅由光场自旋角动量产生的传统认知，揭示了光力矩的多样性及其潜在应用。 研究团队基于笛卡尔多极子展开法，建立了新的光力矩理论框架，揭示了光梯度力矩（Tgrad）和光旋度力矩（Tcurl）的存在。这两种新型光力矩分别通过光场的虚螺旋度梯度和动量旋度产生，且与光自旋角动量线性无关，因此能够作用于与自旋角动量正交的方向。这一发现不仅丰富了光力矩的理论体系，还为光力矩的实际应用提供了新的思路和可能性。 更为重要的是，研究团队在此基础上提出了横向光力矩（LOT）的概念，并展示了在LOT作用下使物体朝垂直于光自旋角动量的方向持续旋转的可能性。这一创新性的概念为光学微操纵技术的发展开辟了新的方向，有望在未来实现更为复杂和精细的微粒操控。 此外，研究团队还进一步揭示了光学轨道角动量（OAM）驱动微粒旋转的基本原理，发现OAM与旋度力矩发生耦合，从而影响微粒的自转。这一发现不仅加深了人们对光学角动量作用机制的理解，还为开发新型光学转子技术提供了理论支持。 相关研究成果已于近日在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上发表，引起了国际学术界的广泛关注。该论文详细阐述了研究团队在光力矩理论方面的新发现和新概念，为光子力学领域的研究注入了新的活力。 瞬态光学与光子技术国家重点实验室自成立以来，一直致力于光与物质相互作用的超快现象研究和瞬态光学在信息、生物、医疗、材料等领域的基础与应用基础研究。此次在光子力学光力矩理论研究方面的重大突破，是该实验室在瞬态光学技术领域取得的又一重要成果。 未来，研究团队将继续深化对光力矩理论的研究，探索其在光学微操纵、多物理场传感及精密测量等领域的应用潜力，为推动科技进步和社会发展做出更大的贡献。同时，实验室也将积极加强与国际学术界的交流与合作，共同推动光子力学领域的繁荣发展。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50440-8
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