光的隐藏属性或将为未来纳米机器提供动力

光不仅能照亮世界，还能推动和扭转物质。早在19世纪70年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就首次预言光携带动量，能对物体施加压力。近一个世纪后的20世纪70年代，阿瑟·阿什金提出，何不用光的这一特性来捕获和操控微小颗粒？他由此开发出了光镊——利用聚焦激光束捕获和移动纳米级物体。

虽然科学家很早就知道光能施加微小的力，但探测这些力却极为困难。在纳米尺度下，物体时刻受到无规则热运动的推撞，使得光所产生的细微影响难以测量。

感知光之推力的新方法

如今，北海道大学的研究人员开发出一种新方法，能高精度测量这些微小的力。他们利用这项新技术，发现了一个令人惊奇的现象：光可以让微小物体向侧面扭转，即沿着垂直于光传播方向的方向旋转。这项研究发表在《自然·物理》期刊上。

一个“微型无人机”中心固定着一个纳米结构，四束激光束捕捉并控制该平台。

北海道大学的田中嘉人教授解释道："我们开发了一种名为'微型无人机'的新型测量平台，首次实现了对作用于纳米结构的光学力和扭矩的完整三维表征。"

其原理很简单：将待研究的纳米结构放置在一个微小的十字形平台（即微型无人机）中心，然后用四束激光像无形镊子一样夹住平台的四角，把它固定住。通过精确追踪平台如何移动和旋转，研究人员便能推断出内部纳米结构所受到的力。

田中教授说："自阿瑟·阿什金的开创性工作——该工作于2018年获得诺贝尔奖——以来，光镊一直是强大的工具。使用传统方法，只能测量物体沿单一轴的转动。我们的方法通过测量承载纳米结构的平台而非纳米结构本身，克服了这一局限。"

这种新方法使科学家能够测量所有方向上的移动和旋转，捕捉到完整的三维图景。实际上，它将极其微小、难以探测的纳米尺度力，转化为了微型平台更显著的、可测量的运动。

观察微小金结构的侧向扭转

研究团队使用形似字母"V"的微金结构测试了这一方法。当把这些结构放入平台并照亮时，它们展现出了一种被称为横向光扭矩的异常行为，即它们没有顺着光的方向扭转，而是向侧面旋转。

田中教授说："利用这种新方法，我们观察到了一个此前从未被实验观测到的现象：在纳米尺度上起作用的横向光扭矩。"

起控制作用的是螺旋性，而非角动量

更令人惊讶的是导致此效应的原因。此前科学家曾预测，这种扭转效应是由光的角动量控制的。然而，研究人员发现，它实际上取决于一个更微妙的属性——光学螺旋性，这是衡量光的电磁场"手性"或扭曲程度的一个量。他们通过设计实验，在消去光角动量的同时保留其螺旋性，展示了这一点。结果横向扭矩仍然存在，这证实了螺旋性起着主导作用。

这一发现为理解光在极微小尺度下如何与物质相互作用提供了新的见解，也为利用光精确控制纳米级物体开辟了新可能。潜在应用包括光驱动纳米机器和先进传感技术。

田中教授说："这项工作代表了纳米尺度光力学的一种新测量范式。正如光镊开辟了单分子生物物理学的新领域，我们希望这个平台能够解锁迄今为止遥不可及的纳米尺度力学现象。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41567-026-03268-6