近日，同濟大學物理科學與工程學院王占山教授、程鑫彬教授團隊的施宇智教授在光力矩基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得重要突破。團隊首次揭示了自旋角動量梯度場誘導介電球體產(chǎn)生光力矩的新機制，成功實現(xiàn)非吸收性對稱顆粒的可控旋轉(zhuǎn)。相關(guān)研究成果以“Optical torques on dielectric spheres in a spin-gradient light field”為題發(fā)表于《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews），并入選封面文章。

光攜帶自旋角動量，該動量可以傳遞給粒子，從而產(chǎn)生光力矩（OT）。在光操控技術(shù)中，光力矩的產(chǎn)生通常依賴于吸收顆粒（如金納米顆粒）或破壞結(jié)構(gòu)對稱性（如棒狀/啞鈴結(jié)構(gòu)）。這一限制導致現(xiàn)有技術(shù)面臨熱損傷風險高、適用材料受限等瓶頸。

為了挑戰(zhàn)上述持久的理解，王占山教授和程鑫彬教授團隊的施宇智教授聯(lián)合臺灣成功大學的吳品頡教授提出了一種生成光力矩的新機制，其中光力矩完全來自于自旋角動量（SAM）。通過將圓偏振光聚焦，得到了自旋分布不均勻的自旋梯度場（圖1b），光強度和SAM幅度都從光束中心（x=0）衰減（圖1c），這導致了置于光場中的介電球上的Poynting矢量分布不均勻，從而引起了自旋梯度光力矩的生成。研究結(jié)果顯示，與橫向光力（OLF）不同，對于給定的光偏振，自旋梯度光力矩的符號保持一致（圖1d）。同時，自旋梯度光力矩的符號也不受顆粒尺寸變化的影響，與光偏振呈正弦關(guān)系（圖1e）。

圖1、自旋梯度場中介電球上的光力矩

由于球形顆粒的高度對稱性，很難觀測到顆粒的旋轉(zhuǎn)，因而實驗中利用熒光染料染色的聚苯乙烯顆粒來觀察并測量這種自旋梯度光力矩。熒光染料在高功率激光下會失活，但是會在顆粒上留下可忽略不計的殘留物（圖2a和b），足以觀察到粒子的旋轉(zhuǎn)，同時對光力和光力矩的影響可以忽略不計。實驗中這種自旋力矩展示了與光偏振的強相關(guān)性，同時，還伴隨著橫向光力，當光偏振發(fā)生切換時，可以實現(xiàn)OT和OLF的大小與方向的變化（圖2c，d和e）。

圖2、光力矩自旋依賴性的實驗證明

研究揭示了自旋梯度場中光和粒子之間復雜的相互作用，豐富了對光力矩的基本理解，所揭示的物理機制不僅適用于條形光束，在矢量光場、倏逝波等體系中同樣具有普適性，并在生物物理學、量子科學和超光學領(lǐng)域具有重要應用。

同濟大學程鑫彬、魏澤勇、施宇智教授和香港科技大學陳子亭教授為論文通訊作者。同濟大學博士研究生黃海洋和臺灣成功大學吳品頡副教授為論文共同第一作者。對論文作出重要貢獻的作者還包括同濟大學王占山教授、何濤助理教授，博士研究生夷偉成、賴成興、羅洪，化學科學與工程學院王啟剛教授、王霞副教授、博士研究生金曼婷，復旦大學吳翔研究員，上海交通大學王波副教授和清華大學宋清華副教授。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202500386