清華新聞網(wǎng)12月26日電 光子不僅具有能量，而且還有動(dòng)量。光與物體相互作用發(fā)生動(dòng)量交換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光學(xué)力，從而對(duì)物體進(jìn)行力學(xué)操縱，即光鑷技術(shù)。由于光鑷技術(shù)具有對(duì)微小粒子，比如細(xì)胞或者病毒的精確調(diào)控的本領(lǐng)，其在生物檢測(cè)和納米機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光力可分為梯度力和散射力，其方向分別沿著光強(qiáng)梯度方向與波矢方向。然而，光的梯度力的方向通常指向光強(qiáng)最強(qiáng)的位置，即光束的匯聚中心，從而限制了光力的應(yīng)用。因此，構(gòu)建任意方向的光力在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院宋清華團(tuán)隊(duì)聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院施宇智、法國(guó)國(guó)家科研中心帕特里斯·熱內(nèi)偉（Patrice Genevet）等研究人員，通過(guò)對(duì)連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）附近的拓?fù)浜僧a(chǎn)生的光力進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)在不同的拓?fù)浜上?，光子晶體板上方的顆?？梢允艿脚c入射光強(qiáng)梯度相同與相反的梯度力響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲、驅(qū)散和旋轉(zhuǎn)等不同的力學(xué)效果。這改變了人們對(duì)光力的認(rèn)知，同時(shí)也為精確操控微小顆粒如細(xì)胞病毒等提供了更豐富的技術(shù)手段。
圖1.上下層（A）對(duì)稱(chēng)和（B）對(duì)稱(chēng)性破缺的光子晶體平板結(jié)構(gòu)和光力效果示意圖
研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)對(duì)稱(chēng)和對(duì)稱(chēng)破缺的光子晶體平板進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的拓?fù)涔饬?huì)對(duì)微粒產(chǎn)生捕獲和驅(qū)散的操控效果（圖1）。首先分別對(duì)對(duì)稱(chēng)和對(duì)稱(chēng)破缺的光子晶體平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，可以得到上下兩條本征能帶和對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)偏振態(tài)分布（圖2），圖2A中的顏色為品質(zhì)因子的映射，圖2B和C分別表示上下兩條能帶的遠(yuǎn)場(chǎng)偏振態(tài)。根據(jù)圖2可知，上下兩條能帶都可以實(shí)現(xiàn)BIC，并且上下能帶的BIC具有相反的拓?fù)浜伞?/p>
圖2.對(duì)稱(chēng)的光子晶體平板能帶（A）和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射偏振態(tài)示意圖（B,C）
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)對(duì)稱(chēng)的光子晶體平板（圖3A）和對(duì)稱(chēng)破缺的光子晶體平板（圖3D）對(duì)應(yīng)的動(dòng)量空間中遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的光力分布進(jìn)行研究。顯然在BIC處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光力的奇異點(diǎn)，且在BIC附近的光力矢量會(huì)圍繞BIC點(diǎn)處形成渦旋的光力分布。而且對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的上下能帶分別會(huì)展現(xiàn)出使得微粒向中心捕獲和向四周驅(qū)散的效果。研究團(tuán)隊(duì)也對(duì)微粒附近的坡印廷矢量和電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真來(lái)印證捕獲和發(fā)散的效果，并探究了光子晶體平板結(jié)構(gòu)是否存在對(duì)于光力的影響。而對(duì)于對(duì)稱(chēng)性破缺的結(jié)構(gòu)（圖3D，即打破z軸對(duì)稱(chēng)性），和圖3A的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，同樣在BIC處實(shí)現(xiàn)了一個(gè)光力的奇點(diǎn)，在BIC附近光力同樣呈現(xiàn)渦旋分布；不同的是，其不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲和驅(qū)散效果，還可以進(jìn)一步操控微粒的自旋。
圖3. 對(duì)稱(chēng)（A）和對(duì)稱(chēng)性破缺（D）結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的拓?fù)涔饬Ψ植际疽鈭D
圖3（A）和（B）分別展示了通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)得到的四個(gè)BIC的品質(zhì)因子和光力在動(dòng)量空間的分布情況，結(jié)果表明同時(shí)對(duì)多個(gè)微粒進(jìn)行多樣化操控是可行的。圖3（C）和（D）表明，可以利用另外一個(gè)本征模式來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似鉆石形狀的光學(xué)力近零的區(qū)域，在微粒的分類(lèi)和篩選方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。該研究成果對(duì)于微粒的多樣化操控提供了一種新的思路，未來(lái)有望被集成到微流控系統(tǒng)中對(duì)納米微粒進(jìn)行多樣化的操控。
圖4.上（A,B）下(C,D)能帶本征模式實(shí)現(xiàn)多個(gè)BIC時(shí)對(duì)應(yīng)的光力分布示意圖
近日，相關(guān)研究成果以“探索連續(xù)域束縛態(tài)中奇異的拓?fù)涔饬Α?Exploiting Extraordinary Topological Optical Forces at Bound States in the Continuum)為題發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。
本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院宋清華助理教授、同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院施宇智特聘研究員與法國(guó)國(guó)家科研中心帕特里斯·熱內(nèi)偉（Patrice Genevet）研究員。第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院科研助理秦昊燁，其他作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2022級(jí)博士生蘇增平和韋國(guó)丹副教授，同濟(jì)大學(xué)王占山教授、程鑫彬教授以及新加坡南洋理工大學(xué)劉愛(ài)群教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.ade7556
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
