手性在许多学科中都很普遍。在生物医学领域，生物分子具有丰富的手性特征。在化学中，具有不同手性的分子可以表现出不同的性质，可能充当药物或毒素。利用手性物体上的光力赋予了一种通用的、非侵入性的方法来操纵和探测它们。
光携带动量，可以传递给物体并产生光力。横向光力（也称光横向力，optical lateral force，OLF）指的是垂直于光传播方向且与光的强度和相位梯度无关的光力。在光场中，手性粒子受到与非手性粒子不同的光力，因此OLF是操纵手性粒子的一种很有前途的工具。对于手性颗粒上的OLF的研究，尤其是在实验方面的证明，对于实现其应用至关重要。到目前为止，手性光力的实验证明主要涉及单一的光性质，如横向自旋、横向动量和能量螺旋度梯度。多种光性质的相互作用及其在产生异常手性OLF中的作用仍然是难以捉摸的。
图1. 自旋旋度场中的手性粒子的光力
研究使用聚焦成线状的椭圆偏振光束，作用在位于表面上的手性颗粒上产生OLF。光的传播方向沿−z方向，我们所研究的OLF是沿y方向的总光力（图1a）。手性颗粒是一种聚合的液晶微粒，在水中保持球形（图1b）。手性颗粒的本构关系是电-磁耦合式的，通过在偶极条件下分析手性颗粒上光力的物理机制，将合力分解为来自Belinfante自旋动量（BSM，pS）、自旋角动量（SAM，S）、坡印廷动量（P）、能流旋度（∇×P）以及光梯度力（∇U）几部分（图1c）。先前的研究通常只考虑单一光力，单个光力随颗粒尺寸增大而增大，而合力可能因为颗粒尺寸增大而减小或变化（图1d）。研究中将仅由手性引起的由S和∇×P产生的力称为手性决定力（CDF），而源自BSM和P的力，这些力可以作用在非手性颗粒上，称为准非手性力（QAF），但QAF也会因为颗粒手性参数κ的改变而变化。在不同的颗粒尺寸和手性范围内，手性颗粒上的主导力不同（图1e），例如对于大尺寸和大手性的颗粒，光力的主导项为CDF，而在偶极范围内，主导的光力为手性梯度力，其余时候则是由CDF和QAF共同主导。理论中光力各项成分随光偏振的变化如图1f所示。
图2. 不同参数下OLF的仿真
为了研究不同参数下的OLF，本研究绘制了OLF随着光偏振（θ）变化的曲线，所有曲线均呈现正弦形状。对于较大的颗粒，例如d = 400 nm，κ = +0.2和κ = -0.2时，OLF的正弦曲线由于CDF的存在而偏离y = 0区域（图2a）。利用不同的不对称光场，可以得到不同符号的OLF（图2b）。研究发现，OLF曲线从y = 0的偏移距离由手性参数κ决定（图2c），这为评估颗粒手性提供了一种直观的方法。关于颗粒尺寸对OLF的影响，仿真结果显示，对于κ = ±0.2，OLF均不随颗粒尺寸单调增长，其符号随颗粒尺寸变化而变化（图2d）。
图3. 尺寸依赖性OLF的实验证明
实验中的手性颗粒具有螺旋结构特征（图3a和3b）。实验中观测颗粒稳定的横向位移，进而得到颗粒所受的OLF。对于不同尺寸的手性颗粒，在同一种圆偏振光照射下，受到的OLF不同（图3c）。本研究从实验上验证了理论中预测的对于不同尺寸的颗粒，光力的主导项不同（图3d）。此外，实验中还证明了OLF会随着激光功率增大而增大（图3e）。
图4. OLF随颗粒手性、尺寸和光偏振变化而反转的实验观测
这项研究揭示了自旋旋度场中各种光性质的力之间复杂的相互作用，并通过实验证明了一系列参数对手性光力的重要影响。实验验证了复杂的手性光力理论，并为研究手性或自旋相关的光力提供了一个有效的范例，在力探测、对映选择性分选和手性传感方面具有巨大的潜力。
同济大学程鑫彬教授、施宇智教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的通讯作者。同济大学博士研究生赖成兴为论文的第一作者。其他具有突出贡献的作者还包括同济大学王占山教授、博士研究生黄海洋、夷伟成，意大利CNR纳米技术研究所Alfredo Mazzulla研究员，意大利卡拉布里亚大学Gabriella Cipparrone教授，中国科学院大学温州研究院祖岩研究员，哈尔滨工业大学丁卫强教授、李航博士，清华大学宋清华副教授和台湾成功大学吴品颉副教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.233802
