1.导读
近年来，一种新型的光力矩引起了广泛关注，其方向垂直于光的传播方向，因而被称为横向力矩。横向力矩的出现扩展了光学操控的自由度，为光学操控领域带来了全新可能性。由于电磁场具备对偶对称性，电和磁的自旋角动量具有等价性。但是在以往的研究中，非磁性微粒受到的横向光力矩主要被视为由横向电自旋角动量引起的，忽略了磁自旋角动量在光学操控中的应用潜力，尤其是对任意尺寸的微粒。近期，来自广西科技大学、复旦大学以及中国矿业大学的研究人员于Nanophotonics发表最新文章，在各向同性球形微粒上发现了完全源自磁自旋角动量的横向光力矩，该成果是不受微粒尺寸和材料限制的普适结论。同时，该研究结果表明，即使对于介质微粒，磁自旋角动量引起的横向光学力矩主要受微粒磁响应的影响，而电响应的贡献微乎其微。这些发现不仅丰富了对横向光学力矩物理起源的认识，也为横向磁自旋角动量的探测提供了一种有效的方法。2.研究背景
自1986年Arthur Ashkin发明光镊技术以来，光力的应用取得了重大进展。与此同时，光力矩，作为控制被捕获微粒旋转速度和方向的一种手段，在近几十年来也引起了广泛关注。源于横向自旋角动量的横向力矩在不同微粒和各种光场中得到了广泛研究。以往的研究中，非磁性微粒的横向光学力矩一般归因于横向电自旋角动量，因此通过光力矩只能到探测到光场自旋角动量的电分量。尽管有研究表明干涉光场照射时发现来自磁自旋的横向力矩，但这一发现仅限于偶极尺寸的微粒，并且力矩强度较弱，难以应用于实际研究。3. 创新研究
为完善光力矩的理论研究，研究团队采用广义洛伦兹-米理论和麦克斯韦应力张量方法结合的全波模拟，精确计算了球形Mie尺寸微粒在两个线偏振平面波构成的干涉光场中受到的横向光力矩（如图1）。该横向力矩的空间分布与入射光场的横向磁自旋角动量保持一致（如图2），这种一致性数值上暗示了该横向光力矩的光场依赖可以追溯到横向磁自旋角动量。随后，研究团队利用多极展开理论推导了横向力矩的解析表达式，进一步解析证明了该光场下横向磁自旋角动量对光力矩的唯一贡献。![]()
图1 干涉场中微粒上的横向光学力矩TZ示意图。
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图2 横向光力矩和横向磁自旋角动量的空间分布。
进一步，根据微粒响应的不同，将金属微粒（如图3 a）和介电微粒（如图3 b）受到的横向力矩分解为电响应部分和磁响应部分。对于金属微粒，横向力矩由电响应和磁响应的协同效应引起，电响应更明显，而磁响应也不应忽略。对于有吸收的介电微粒，微粒的电响应对横向力矩的贡献远小于磁响应的贡献，特别是在横向力矩的幅度明显较高的区域，因此横向光学力矩主要由磁响应决定。直觉上来说介电微粒的电响应应该更强，但介电微粒上电响应和磁响应在力矩中的占比（如图3 c）揭示了与预期相反的现象：由磁响应产生的横向光力矩出乎意料地明显。![]()
图3 金属微粒和介电微粒中电（磁）响应力矩，以及介电微粒中电（磁）响应力矩的占比。
4. 应用与展望
研究团队关于完全源自磁自旋角动量的横向光力矩的发现不仅丰富了对光与物质相互作用的理解，还为光学操控技术的发展提供了新的可能性。这一发现可能被应用于更精确的光学操控，并为探测横向磁自旋角动量开辟了新的研究思路。该研究成果以“Transverse optical torque from the magnetic spin angular momentum”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Jiquan Wen, Fengling
He, Lv Feng, Wanli Lu, Zhifang Lin, Hongxia Zheng, and Huajin Chen，其中Jiquan Wen为第一作者，Hongxia Zheng博士为通讯作者。该研究团队隶属于广西科技大学电子工程学院。
