中国科大揭示光致微粒旋转新的物理机制

光具有角动量属性。圆偏振或椭圆偏振光束携带自旋角动量（SAM），具有螺旋相位波前的光束携带轨道角动量（OAM）。在光与微粒相互作用过程中，角动量的传递能够产生光力矩，驱动微粒发生旋转运动。其中，光自旋角动量的传递将驱动微粒绕着自转轴做自旋运动，而轨道角动量的传递能驱动微粒绕着光轴做旋转运动。光致旋转为微观粒子操控提供了新的维度，已被广泛应用于光学传感、光微流变学、微机器人等领域。

近日，中国科大光学与光学工程系龚雷副教授课题组与新加坡国立大学仇成伟教授开展合作，揭示了光致微粒自旋一种新的物理机制，发现入射光束即使不携带自旋角动量，经过强聚焦后也能产生可控自旋力矩。该机制利用光学霍尔效应，通过调控聚焦场自旋-轨道相互作用，实现了聚焦场自旋角动量的局域传递，进而驱动被捕获微粒产生连续自旋运动。相关研究成果于6月21日以“Controllable Microparticle Spinning via Light without Spin Angular Momentum”为题在线发表于国际知名学术期刊《物理评论快报》。

图1. 光致微粒自旋的物理机制示意图

由于自旋-轨道相互作用，线偏振或径向偏振光束的两个自旋分量在紧聚焦条件下将产生横向分离，即为一种光学自旋霍尔效应[图1.(a, b)]。然而，这种自旋劈裂的间距只有亚波长量级，在与微粒相互作用时无法有效传递自旋角动量，不能驱动微粒自旋[图1.(d,e)]。研究团队巧妙地运用光学轨道霍尔效应来调控聚焦场自旋角动量密度分布，通过在入射径向偏振光场引入轨道角动量叠加态[图1.(c)]，有效调控两个自旋分量的径向间距，实现了聚焦场自旋角动量对微观粒子的局域传递，最终实现了粒子的可控自转操控[图1.(f)]。

在此基础上，研究团队进一步开发全息光镊的并行操控功能，通过调控入射光场波前，实现了多粒子同时捕获，独立平移和旋转操控。该研究揭示了轨道角动量调控聚焦光场自旋的原理，并为光学自旋-轨道相互作用导致的力学效应研究提供了新的思路。

中国科大光学与光学工程系博士生吴一京为论文第一作者，中国科大龚雷副教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金和安徽省自然科学基金的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.253803