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中科院遺傳(chuan) 與(yu) 發育所降雨強研究組與(yu) 新加坡國立大學仇成偉(wei) 團隊、電子科技大學楊元傑團隊、山西大學肖連團團隊、中央民族大學郭紅蓮團隊合作，提出了一種基於(yu) 非線性效應的光致旋轉新方法，使水中納米顆粒的軌道旋轉速度得到極大的提升。相關(guan) 成果近日發表於(yu) 《自然—通訊》。
光學微操控（光鑷）技術作為(wei) 微納尺度下研究物體(ti) 運動及其相互作用的一項關(guan) 鍵技術，具有極其重要的應用價(jia) 值。因具有非接觸、無損傷(shang) 、精度高等優(you) 點，其在物理、化學、微機械、特別是在生物大分子互作等領域被廣泛應用，並於(yu) 2018年獲得諾貝爾物理學獎。
光不僅(jin) 具有能量，而且具有動量。光對物體(ti) 的操縱依賴於(yu) 光與(yu) 物體(ti) 之間的動量傳(chuan) 遞。當光照射物體(ti) 時，動量被轉移到物體(ti) 上，從(cong) 而在物體(ti) 上產(chan) 生光壓。在微觀尺度上，微粒和納米顆粒（如生物細胞和大分子）可以被光的力量操縱。原子可以通過光壓冷卻來實現原子鍾、玻色-愛因斯坦凝聚等。
線動量的傳(chuan) 遞可實現物體(ti) 的捕獲與(yu) 平動，而角動量的傳(chuan) 遞則可導致物體(ti) 的旋轉。由於(yu) 動量的轉換通常來源於(yu) 光與(yu) 物體(ti) 之間的線性相互作用，這種軌道旋轉的速率很低（不超過1Hz），且形成的軌道半徑通常都在微米量級。
合作團隊克服了這些限製。基於(yu) 非線性光學效應，研究人員獲得了亞(ya) 衍射尺度下納米粒子的超快軌道旋轉速率。在線性相互作用條件下，他們(men) 使用圓偏振飛秒高斯光束捕獲金納米顆粒，通過光阱劈裂效應形成環形勢阱，實現了超光學衍射極限的軌道旋轉（最小半徑可達71 納米）；並利用光與(yu) 納米顆粒的非線性相互作用使得高斯光束匯聚導致的軌道旋轉速率提高了3個(ge) 數量級以上（最快轉速大於(yu) 1 KHz）。這個(ge) 結果甚至比渦旋光束形成的軌道旋轉也要高出一個(ge) 數量級（此前報道的最快光致軌道旋轉速度是87Hz）。
此外，通過激光功率、顆粒材料、物鏡數值孔徑等參數的調整，還可自由控製納米顆粒軌道旋轉的半徑和轉速，這將極大地拓展該成果的應用範圍。該研究直接驗證了光束聚焦過程中的自旋-軌道角動量轉化（STOC），揭示了光致旋轉的一種新機製。該研究提出的新方法將在微納流體(ti) 學、微納加工以及生物操控等領域具有重要的應用價(jia) 值。
相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24100-0
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