光學微操控（光鑷）技術作為微納尺度下研究物體運動及其相互作用的關鍵技術，具有重要的應用價值，因其具有非接觸、無損傷、精度高等優點，在物理、化學、微機械、生物大分子互作等領域應用廣泛。光對物體的操縱依賴于光與物體之間的動量傳遞，線動量的傳遞可實現物體的捕獲與平動，而角動量的傳遞則可導致物體的旋轉。當圓偏振高斯光束經過匯聚后其自旋角動量可轉化為軌道角動量，進而使被物體產生軌道旋轉。然而，在線性相互作用條件下，這種軌道旋轉的速率很低（不超過1Hz），且形成的軌道半徑通常都在微米量級。
近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所降雨強研究組與新加坡國立大學仇成偉團隊、電子科技大學楊元杰團隊、山西大學肖連團團隊、中央民族大學郭紅蓮團隊合作，提出了一種基于非線性效應的光致旋轉新方法，使水中納米顆粒的軌道旋轉速度得到極大的提升。科研人員使用圓偏振飛秒高斯光束捕獲金納米顆粒，通過光阱劈裂效應形成環形勢阱，實現了超光學衍射極限的軌道旋轉（最小半徑可達71 nm）；利用光與納米顆粒的非線性相互作用使得高斯光束匯聚導致的軌道旋轉速率提高了3個數量級以上（最快轉速大于1 KHz）。該結果比渦旋光束形成的軌道旋轉高出一個數量級（此前報道的最快光致軌道旋轉速度是87 Hz）。此外，通過激光功率、顆粒材料、物鏡數值孔徑等參數的調整還可自由控制納米顆粒軌道旋轉的半徑和轉速，而這將拓展該成果的應用范圍。該研究直接驗證了光束聚焦過程中的自旋-軌道角動量轉化（STOC），揭示了光致旋轉的一種新機制。該研究提出的新方法將在微納流體學、微納加工以及生物操控等領域具有應用價值。
6月17日，相關研究成果在線發表在Nature Communications上（DOI:10.1038/s41467-021-24100-0）。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、崖州灣科技專項及分子發育生物學國家重點實驗室開放課題等的支持。
實驗裝置示意圖及典型的實驗結果
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