近日，中國科大光學(xué)與光學(xué)工程系龔雷副教授課題組與新加坡國立大學(xué)仇成偉教授開展合作，研制出一種新型光學(xué)微操控工具——單光束“三維光學(xué)扳手”。這種光學(xué)扳手能夠利用單個聚焦的激光光束對微粒（如細胞）施加三維可控的光力矩（Optical torque），從而實現(xiàn)微觀粒子動態(tài)可控的三維旋轉(zhuǎn)操控，極大拓展了光鑷技術(shù)的操控功能。相關(guān)研究成果于2025年1月11日以“Time-varying 3D optical torque via a single beam”為題在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》[Nature Communications 16: 593 (2025)]。

光鑷，又被稱為“單光束梯度力阱”，是美國科學(xué)家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于1986年發(fā)明的一種激光工具。科學(xué)家利用它能夠抓取和操縱單個分子、病毒、細胞等微觀世界的物體。光鑷由此成為人類研究微觀世界的重要操控工具，阿什金也因此獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎。光鑷本質(zhì)上是利用光的動量傳遞對微粒施加光力實現(xiàn)三維操控的。光既具有動量也能攜帶角動量，在與微粒相互作用時光的角動量傳遞能夠產(chǎn)生光扭矩，進而驅(qū)動微粒旋轉(zhuǎn)運動。例如，攜帶自旋角動量的聚集激光光束不僅能夠施加光力捕獲微粒，還會對物體施加旋轉(zhuǎn)的扭矩，就像一個扳手在扳動物體一樣，因而被形象地稱為一種 “光學(xué)扳手”。這種光學(xué)扳手極大地拓展了光鑷的操控功能，使其不僅能平移而且能旋轉(zhuǎn)微粒。然而，這種光學(xué)扳手施加旋轉(zhuǎn)扭矩的方向十分局限，一般僅沿著光軸方向，主要是因為光的自旋角動量方向通常被光軸方向鎖定。為突破該局限性，2022年物理學(xué)家Halina Rubinsztein-Dunlop團隊通過左右旋光束的對稱疊加實現(xiàn)了橫向自旋及橫向力矩[Nat. Photonics 16, 346–351 (2022)]，進而驅(qū)動微粒橫軸轉(zhuǎn)動（圖1. 1a）。但目前光學(xué)扳手的旋轉(zhuǎn)操控仍局限于一維固定軸，無法實現(xiàn)微粒的三維旋轉(zhuǎn)操控。

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圖1.單光束三維光學(xué)扳手示意圖

為解決該問題，研究團隊深入研究聚焦光場三維自旋角動量的定量調(diào)控方法及其光扭矩效應(yīng)，理論推導(dǎo)聚焦光場自旋角動量與入射光場局部偏振螺旋度的定量方程，并提出了通過單個調(diào)制光束實現(xiàn)時變?nèi)�維光扭矩的技術(shù)方案（圖1. 1b）。這種調(diào)制的激光光束能夠施加任意方向的旋轉(zhuǎn)扭矩，進而操控微粒在不同時間沿著指定三維轉(zhuǎn)軸做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動（圖1. 1c），被稱為“三維光學(xué)扳手”。團隊還利用該技術(shù)實現(xiàn)了活體細胞的三維旋轉(zhuǎn)操控。該技術(shù)實現(xiàn)了激光對微粒的全自由度操控，將光鑷對微粒的三維平移操控拓展到三維平移與轉(zhuǎn)動同時操控。光鑷新的操控功能有望在細胞三維層析、光學(xué)傳感、微機器人等領(lǐng)域激發(fā)新的應(yīng)用。

中國科大光學(xué)與光學(xué)工程系博士生吳一京為論文第一作者，中國科大龔雷副教授和新加坡國立大學(xué)仇成偉教授為論文的通訊作者。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金和唐仲英基金會的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55781-y