近日，西安光学精密机械研究所的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功提出一种新的光学力矩概念。这种光学力矩可以实现对微小粒子全自由度的操控。该工作以“Gradient and Curl Optical Torques”为题，发表在《Nature Communications》上。
这项研究揭示了光学力矩的两个基本成分，它们分别来源于光的反应螺旋度梯度(Reactive helicity Gradient )和动量旋度。这两个成分分别是力矩的梯度和旋转力矩的旋度类比。基于这两个成分，研究团队提出并演示了横向光学力矩的概念。这一发现不仅拓展了结构光领域，还开辟了旋转光力学的新路径，甚至可能激发声学和流体动力学领域的全新操控方法。
光学力和力矩的精确控制一直是光学操控技术发展的目标。在过去的几十年中，随着对光学力和力矩成分的理解不断加深，这一领域取得了显著进展。传统上，光学力的简单示例是无结构光对粒子施加的辐射压力，它推动粒子沿波传播方向前进。而当入射波具有自旋角动量（SAM）时，即光的偏振围绕其传播方向旋转，也会对粒子施加力矩。
图1：物理概念示意图。
研究表明，利用结构光可以显著增强这些机械效应。例如，通过控制光强的不均匀性，可以增强梯度力，克服辐射压力。这一发现催生了光学镊子的出现。此外，当场具有自旋旋转或Belinfante自旋动量时，旋转力也会出现，并且能够横向运输粒子，形成横向光学力（LOF）。
这项研究的一个重要突破在于揭示了新的光学力矩成分——梯度力矩和旋度力矩。研究团队通过数值计算验证了这一发现，并展示了在不同结构化光场中的应用前景。
研究结果显示，通过使用具有不同拓扑电荷的涡旋光束，可以显著增强旋度力矩。这一特性不仅挑战了传统光学力矩理论，还为实现负光学力矩（NOT）提供了新的可能性。负光学力矩可以逆向旋转物体，这对于开发超快速机械转子和高精度力矩传感器具有重要意义。
这项研究通过揭示光学力矩的基本成分和横向光学力矩的概念，为未来的光学操控技术开辟了新的方向。这些发现不仅在光学和光机械学领域具有重要意义，还可能对声学、流体动力学和物质波操控产生深远影响。未来，研究团队计划进一步探索这些新型力矩在实际应用中的潜力，推动光学操控技术的进一步发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50440-8
