前沿进展 | 转速最快和尺寸最小的光致纳米轨道旋转体系

“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”，全新的命名，全新的开始，欢迎广大专家学者投稿。

1 导读

中国科学院遗传与发育生物学研究所降雨强研究组与新加坡国立大学仇成伟团队、电子科技大学杨元杰团队、山西大学肖连团团队、中央民族大学郭红莲团队合作，创新性提出了一种基于非线性效应的光致轨道旋转的方法，实现了超光学衍射极限的高速轨道旋转（最小半径可达71 nm，最快转速大于1 kHz），轨道半径和轨道转速均为目前国际上光致轨道旋转体系中的最新记录。研究成果以“Nonlinearity-Induced Nanoparticle Circumgyration at Sub-Diffraction Scale”为题，于2021年6月17日在Nature Communications上在线发表(DOI:10.1038/s41467-021-24100-0)。2021 | 前沿进展

2 研究背景

光学微操控（光镊）技术作为微纳尺度下研究物体运动及其相互作用的一项关键技术，具有极其重要的应用价值，在物理、化学、微机械、特别是在生物大分子互作等领域被广泛应用，并于2018年获得诺贝尔物理学奖。光对物体的操纵依赖于光与物体之间的动量传递，线动量的传递可实现物体的捕获与平动，而角动量的传递则可导致物体产生自旋或轨道旋转。之前，国际上已经有了纳米粒子GHz高速自旋的报道，但是如何实现纳米粒子的高速轨道旋转一直是国际上的一个难题。另一方面，随着科技的发展，在很多具体应用中人们迫切希望能够实现尽可能小的轨道旋转体系，但之前报道的光致旋转方法都受光学衍射极限的限制，无法做的更小。因此，如何突破衍射极限实现更小尺寸的轨道旋转，是另一个我们面对的难题。由此，研究团队提出了一种基于非线性效应的光致旋转的新方法，解决了上述的两个难题。该方法利用圆偏振飞秒高斯光捕获金纳米颗粒，通过光阱劈裂效应形成环形势阱，在水溶液和远场条件下实现了超光学衍射极限的轨道旋转（最小半径可达71 nm）和超快轨道旋转（最快转速大于1 kHz）。并且通过激光功率、颗粒材料、物镜数值孔径等参数的调节实现了纳米颗粒的轨道旋转的半径和转速的自由控制。

3 研究创新点1

基于非线性建立旋转轨道新机制

光致轨道旋转，通常采用两种方法实现，一种是通过涡旋光携带的轨道角动量的转化，另一种是通过紧聚焦的圆偏振光自旋-轨道角动量的转化。而光致轨道旋转技术的关键是如何建立旋转轨道。第一种方法是通过涡旋光环形光强分布的特性建立旋转轨道，但轨道尺寸受衍射极限限制，且转速通常较低。第二种方法是通过人造轨道建立旋转轨道，对工艺要求极高，转速低，应用范围有限。研究团队创新性提出基于非线性效应建立旋转轨道的方法。

该团队前期研究发现当飞秒脉冲激光在紧聚焦情况下与金属纳米颗粒相互作用时，除了常规的光学辐射压力（称之为线性力，包括梯度力与散射力）外，还存在由非线性光学效应导致的非线性力。在非线性力和线性力的共同作用下，光阱产生劈裂。在前期的研究基础上，研究团队发现利用圆偏振的飞秒高斯脉冲，可形成环形势阱，由此巧妙的建立了旋转轨道，且轨道半径可小于衍射极限。相比国际报道的其它方法，该方法形成旋转轨道的机制完全不同，不需借助人造轨道或特殊光强分布的光束，操作简单，容易实现，如图1所示。

图1 (a) 捕获颗粒轨道旋转示意图; (b) 连续光和飞秒脉冲光捕获金颗粒的成像及势阱分布; (c) NA=0.65物镜下的颗粒旋转轨迹时间序列图

3 研究创新点2

实现超衍射超快旋转

图2 轨道半径和转速的典型数据

近二十年来，超分辨技术获得巨大进步，已经在远场条件下突破衍射极限实现了纳米级的分辨率，对各领域的发展影响巨大。但远场条件下，光学轨道旋转操控却无法突破衍射极限。该研究团队提出的新方法中，轨道的半径、转速与电场强度、颗粒极化率、束腰半径相关，依据理论，轨道半径可取零到最大值之间的任意值。研究团队利用数值孔径为1.40的物镜和100 mW的飞秒激光（激光波长840 nm），实现了最小轨道半径为71 nm、旋转频率为521 Hz的超光学衍射极限的超快轨道旋转，实现的最高轨道旋转频率超过1 kHz（对应的旋转半径为213 nm，捕获功率约285 mW）。此超高转速远超线性理论的预测值，深入研究发现，相比连续光，脉冲激光非线性作用强，颗粒消光系数被显著增大，角动量的转化得到极大提高，被捕获颗粒的转速随激光功率增加而非线性增加，进而导致颗粒转速提高了多个数量级。

3 研究创新点3实现轨道旋转的自由操控图3 轨道半径、转速与激光功率、物镜数值孔径、材料的关系轨道半径、速度和方向的自由控制对于应用极其重要，但已报道的光致旋转较难实现这些参数的全部自由控制。相比之前，该研究团队提出的新方法则可实现轨道半径、速度和方向的自由控制。此方法中轨道半径，是束腰半径，是颗粒的三阶非线性系数，是颗粒介电常数的线性部分，是周围介质的介电常数。由公式可知，通过改变电场强度、束腰半径和颗粒极化率等参数可实现轨道半径的自由控制。而这些参数又与激光功率、物镜数值孔径和材料属性相关。因此，通过调节激光功率、物镜数值孔径和材料属性即可自由控制旋转轨道半径的大小。此外，颗粒的转速由切向推动力的大小决定，切向力同样受到这些参数的影响从而使得转速可以被调控。由于圆偏振旋转方向和颗粒旋转方向一致，通过改变圆偏振的方向也实现了对旋转方向进行控制。4 总结与展望该研究创新性基于非线性效应实现光致轨道旋转，不仅实现了水溶液中突破衍射极限的超快旋转自由控制，而且发现了光致轨道旋转的新机制。该成果将为提高轨道角动量转化提供新的思路，而且在微纳流体学、微纳加工以及生物操控等领域具有重要的应用价值。该工作由中国科学院遗传与发育生物学研究所降雨强研究组与新加坡国立大学仇成伟团队、电子科技大学杨元杰团队、山西大学肖连团团队、中央民族大学郭红莲团队合作完成。降雨强组博士研究生秦亚强、助理研究员黄璐、已毕业学生靳云峰和新加坡国立大学博士后周雷鸣为该文章的共同第一作者。降雨强研究员、仇成伟教授、杨元杰研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、科学院战略先导专项、崖州湾科技专项及分子发育生物学国家重点实验室开放课题等项目的支持。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24100-0

推荐阅读：

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密