针对这一难题，近日，西湖大学仇旻教授团队提出了一种利用光-热-弹性波耦合机制，在摩擦固体界面上对微观物体实现光控旋转的技术。这项技术将传统意义上的驱动阻力转化为动力，创新性地利用摩擦力作为驱动转矩实现对物体的旋转控制。研究人员在平面衬底上实现了对与衬底具有范德华接触的微米级金片的旋转操控，其旋转精度可达万分之一弧度，实验中实现的最大转速为10 rpm。该工作以“Micro-rotors on frictional solid surfaces via optothermally-invoked chirality”为题，发表在国际期刊《Laser & Photonics Reviews》（激光与光子学评论）上。
一. 摩擦力转矩的形成
研究人员提出利用光-热-弹性波耦合机制，使吸光微米片在聚焦的纳秒脉冲激光作用下产生弹性波。通过使用空间光调制器对物镜焦面的光场进行整形，可以精确控制弹性波的激发区域，使其打破驱动体系的镜面对称性并引入手性。由于弹性波和摩擦力间存在相互作用，具体来说，后者阻碍前者引起的接触界面两侧物体的相对运动。因此，弹性波具有手性的空间分布会进一步传递给接触界面上的摩擦力分布，进而使其产生旋转力矩。
假设待操控物体为结构规整的长方形微米金片，将脉冲激光整形为长条形的高斯光斑。在使其中心与金片形心重合的同时，令长条形光斑相对于微米金片的长轴扭转一定的角度。通过微扰视角，可以将该弹性波激发条件线性分解为具有镜面对称特性的部分以及打破镜面对称性的部分
如图1a所示。在只有
作用时，微米金片保持静止；而由于
具有手性的空间分布，可以为激发的弹性波注入手性。相应地，微米金片与衬底接触界面上的摩擦力分布也会因弹性波的空间分布而获得手性特征，并为微米金片提供旋转力矩，如图1b所示。伴随着摩擦力对弹性波的阻尼作用和金片内部的传热过程，金片受到的摩擦力转矩和平均旋转角度会随时间发生演化，其主要的旋转运动发生在光脉冲输入后的前50 ns左右，也就是在弹性波尚未充分衰减时（图1c）。
图1. 摩擦力转矩的生成。a.弹性波激发条件的线性分解。b.弹性波（上图）与摩擦力（下图）的时空演化。颜色图分别代表旋转角度（上图）和摩擦力转矩（下图）分布；箭头图分别代表位移场（上图）和摩擦力（下图）的矢量分布。c. 金片平均旋转角度和摩擦力转矩随时间演化图。
二. 微米金片的旋转操控
为了生成长条形的高斯光场，研究人员搭建了如图2a所示光路。其中，空间光调制器（SLM）在入射的圆对称高斯光斑上加载了柱透镜相位，该相位信息进一步通过4-f系统传递至显微物镜的入瞳处，最终将物镜焦面上的光场整形为长条形高斯光斑，如图2b所示。
对于具有不同长宽比的微米金片，打破镜面对称的辐照条件都可以使它们发生旋转运动，如图2c所示。金片长轴与光斑长轴重合后，弹性波激发条件中的手性归零，因此需要再次调整长条形光斑的取向角，从而实现微米金片在大角度范围内的旋转。
图2. 微米金片的旋转操控。a. 驱动光路。半波片；P：偏振片；ES：电控快门；BE：扩束镜；M：反射镜；SLM：空间光调制器；DM：二向色镜；L：透镜；MO：显微物镜；CCD：电荷耦合器件。b. 物镜焦面上的光场整形效果。c. 不同长宽比微米金片的旋转操控。
微米金片的旋转运动具有脉冲式步进特性，也就是单个光脉冲产生的运动相互独立，这是由光-热-弹性波驱动机理决定的。通过视频图像分析，研究人员发现微米金片具有万分之一弧度的角向精度，对应单个脉冲产生的旋转角大小（图3a）。这一角向精度对应的单脉冲线位移在亚纳米量级。利用快门控制脉冲激光的开关状态，研究人员可以精确控制微米金片的旋转角度并使其呈阶梯状演化（图3b）。其中，单个台阶的角度变化量完全取决于输入的脉冲个数。另外，微米金片的旋转速度受脉冲激光的重复频率控制。在5 kHz的重复频率下，被驱动的金片能够实现10 rpm的旋转速度，并且通过提高重复频率，转速可以进一步提升（图3c）。
图3. 微米金片的脉冲式步进旋转。a. 微米金片的旋转角随时间演化过程。b. 光快门控制下的金片旋转。c. 金片旋转的最大速度与脉冲重频间的关系。
三. 平动-旋转复合运动
运动模式与特定的对称性破缺存在映射关系。利用长条形高斯光斑，可以选择性地打破驱动系统的镜面对称性，进而引起物体旋转；或打破驱动系统的中心对称性，进而引起物体平移，如图4a所示。其中，旋转运动的关键在于使长条形光斑的长轴相对于微米金片的长轴发生扭转；而平移运动的关键在于使长条形高斯光斑的中心相对于金片的形心发生偏离。通过结合旋转和平移自由度，利用长条形光斑还可以实现保持取向的平移运动，以及更加复杂的运动，如图4b和c所示。
综上所述，该研究提出了一种在摩擦固体界面上对微纳物体实现高精度光控旋转的技术。该技术通过在光-热-弹性波驱动机制中引入手性，从而使接触界面上的摩擦力为物体提供旋转力矩。
这项技术不仅展现了极高的角度分辨率以及可调节的旋转速度，还能够实现平移与旋转的协同运动。这为开发可重构的光电器件，以及在转角物理学领域进行精确的转角控制，提供了全新的研究手段。
论文信息
Authors: Qiannan Jia, Zhiqi Zhang, Xiaoyu Sun, Wei Yan*, and Min Qiu*
Title: Micro-Rotors on Frictional Solid Surfaces via Optothermally-Invoked Chirality
原文链接：
Published in: Laser & Photonics Reviews, doi: https://doi.org/10.1002/lpor.202401370
