光子不仅具有能量，而且还有动量。光与物体相互作用发生动量交换时，会产生光学力，从而对物体进行力学操纵，即光镊技术。由于光镊技术具有对微小粒子，比如细胞或者病毒的精确调控的本领，其在生物检测和纳米机器人等领域具有广阔的应用前景。光力可分为梯度力和散射力，其方向分别沿着光强梯度方向与波矢方向。然而，光的梯度力的方向通常指向光强最强的位置，即光束的汇聚中心，从而限制了光力的应用。因此，构建任意方向的光力在实际应用中具有重要意义。
近日，清华大学深圳国际研究生院宋清华团队联合同济大学物理科学与工程学院施宇智、法国国家科研中心Patrice Genevet等研究人员，通过对连续域束缚态（BIC）附近的拓扑荷产生的光力进行探究，发现在不同的拓扑荷下，光子晶体板上方的颗粒可以受到与入射光强梯度相同与相反的梯度力响应，从而实现对微粒的捕获、驱散和旋转等不同的力学效果。这改变了人们对光力的认知，同时也为精确操控微小颗粒如细胞病毒等提供更丰富的技术手段。
图1 上下层（A）对称和（B）对称性破缺的光子晶体平板结构和光力效果示意图
研究团队分别对对称和对称破缺的光子晶体平板进行研究，发现所产生的拓扑光力会对微粒产生捕获和驱散的操控效果（图1）。首先分别对对称和对称破缺的光子晶体平板结构进行仿真，可以得到上下两条本征能带和对应的远场偏振态分布（图2），图2A中的颜色为品质因子的映射，图2B和C分别表示上下两条能带的远场偏振态。根据图2可知，上下两条能带都可以实现BIC，并且上下能带的BIC具有相反的拓扑荷。
图2 对称的光子晶体平板能带（A）和远场辐射偏振态示意图（B, C）
进一步地，研究团队对对称的光子晶体平板（图3A）和对称破缺的光子晶体平板（图3D）对应的动量空间中远场辐射的光力分布进行研究。显然在BIC处会产生一个光力的奇异点，且在BIC附近的光力矢量会围绕BIC点处形成涡旋的光力分布。而且对称结构的上下能带分别会展现出使得微粒向中心捕获和向四周驱散的效果。研究团队也对微粒附近的坡印廷矢量和电场分布进行仿真来印证捕获和发散的效果，并探究了光子晶体平板结构是否存在对于光力的影响。而对于对称性破缺的结构（图3D，即打破z轴对称性），和图3A的结构类似，同样在BIC处实现了一个光力的奇点，在BIC附近光力同样呈现涡旋分布；不同的是，其不仅可以实现对微粒的捕获和驱散效果，还可以进一步操控微粒的自旋。
图3 对称（A）和对称性破缺（D）结构对应的拓扑光力分布示意图
图3 A和B分别展示了通过调整结构参数得到的四个BIC的品质因子和光力在动量空间的分布情况，结果表明同时对多个微粒进行多样化操控是可行的。图3 C和D表明，可以利用另外一个本征模式来实现类似钻石形状的光学力近零的区域，在微粒的分类和筛选方面有着潜在的应用价值。该研究成果对于微粒的多样化操控提供了一种新的思路，未来有望被集成到微流控系统中对纳米微粒进行多样化的操控。
图4 上（A, B）下(C, D)能带本征模式实现多个BIC时对应的光力分布示意图
相关研究成果以“探索连续域束缚态中奇异的拓扑光力”(Exploiting Extraordinary Topological Optical Forces at Bound States in the Continuum)为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院宋清华助理教授、同济大学物理科学与工程学院施宇智特聘研究员与法国国家科研中心Patrice Genevet研究员。第一作者为清华大学深圳国际研究生院科研助理秦昊烨，其他作者包括清华大学深圳国际研究生院2022级博士生苏增平和韦国丹副教授，同济大学王占山教授、程鑫彬教授以及新加坡南洋理工大学刘爱群教授。该工作得到了国家自然科学基金委、深圳市科创委等部门的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ade7556
文/图：苏增平
编辑：叶思佳
封面设计：王晨
审核：林洲璐
