西安光機所等提出廣義電磁虛動量力高階理論模型

驗證光學虛動量力的微粒旋轉實驗。(a)產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渦旋光束的內外側平衡位置，并沿不同方向做軌道運動。論文作者供圖

中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室研究員姚保利團隊，聯合暨南大學李寶軍團隊、新加坡國立大學教授仇成偉、西班牙國家研究委員會教授Nieto-Vesperinas，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動力學特性提供了直接證據。其研究成果發表于近日出版的美國《國家科學院院刊》（PNAS）。

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，為此稱之為光子力學。而由此產生的光鑷技術，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、生物和醫學等領域， 1997年、2001年和2018年的諾貝爾物理學獎直接或間接都與光鑷技術相關，可以說在物理學界影響巨大。

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。在2010年，Nieto-Vesperinas提出虛坡印廷動量，即坡印廷矢量的虛部（IPM），也稱為電磁虛動量也能產生力學效應。而這一觀點長期以來未被相關學科領域研究者引起重視，被認為無物理意義。

目前的IPM理論僅限于光與偶極子的相互作用框架，且沒有關于虛動量力存在的明確實驗證據。

鑒于上述問題，該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之間的普適性關聯，為實現不同階、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。

姚保利說，新的普適公式表明IPM對微粒具有非局域的有質動力學效應，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，在以往的研究中經常被用來解釋或討論相關物理現象，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狀，促使相關領域的研究人員利用我們提出的理論和方法，發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、生命科學各相關分支的發展提供新的助力。”

另一方面，為從實驗上尋找虛動量力的直接證據，該研究團隊借鑒完美渦旋光場調控手段，構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。基于這種結構光場，研究人員在無普通光學軌道角動量（OAM）入射的實驗條件下，實現了對金微米小球的旋轉操控，并成功觀察到了在聚焦光場亮環內外側，IPM對金微粒的不同非局域作用導致的不同旋轉方向和速度。

據論文作者介紹，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實際應用邁出了關鍵一步，對于發展新型光扳手與光學轉子技術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。

該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。