Är det möjligt att driva nanopartiklar till en omloppsbana under ljusdiffraktionsgränsen med hjälp av en gaussisk stråle? Ett nyligen genomfört gemensamt forskningsprojekt rapporterat i Naturkommunikation säger ja.

Det är välkänt att ljus besitter inte bara energi utan också momentum. När ljus bestrålar ett föremål, momentum överförs till objektet, genererar således lätt tryck på föremålet. I mikroskopisk skala, mikropartiklar och nanopartiklar (som bioceller och makromolekyler) kan manipuleras av ljuskraften. Atomer kan kylas med lätt tryck för att uppnå atomklockor, Bose-Einstein kondensation, och så vidare.

Förutom att ljusets linjära rörelsemängd kan överföras, ljusets vinkelmoment kan också överföras till ett objekt, vilket orsakar föremålsrotation. Eftersom omvandlingen av momentum vanligtvis härleds från den linjära interaktionen mellan ljus och objekt, omloppshastigheten och omloppsradien har hittills begränsats till högst 100 Hz i vatten och inte mindre än en mikrometer, respektive.

Nyligen, dock, ett team ledd av prof. Jiang Yuqiang från Institutet för genetik och utvecklingsbiologi vid den kinesiska vetenskapsakademin, i samarbete med Prof. Qiu Chengwei från National University of Singapore, Prof. Yang Yuanjie från University of Electronic Science and Technology i Kina, och professor Xiao Liantuan från Shanxi University, har övervunnit dessa gränser.

Baserat på den olinjära optiska effekten, forskarna har uppnått en ultrasnabb orbital rotationshastighet för nanopartiklar på subdiffraktionsskalan.

Forskarna fångade guldnanopartiklar med hjälp av en cirkulärt polariserad NIR femtosekundlaserstråle med ett gaussiskt läge. I den linjära interaktionsregimen, de fångade partiklarna snurrar bara i strålens centrum. I den icke-linjära regimen, dock, en ringformig potentialbrunn kan bildas av effekten av "fällsplittringen", ' och den tangentiella optiska kraften som förstärks av den olinjära polarisationen mellan femtosekundlasern och guldnanopartiklarna får partiklarna att kretsa med en ultrasnabb hastighet i den ringformade fällbrunnen.

Som ett resultat, ljusets spinnvinkelmoment omvandlas till partiklars orbitala vinkelmoment med superhög effektivitet.

I det här arbetet, den minsta rotationsradien var cirka 70nm, vilket är långt under diffraktionsgränsen. Den högsta omloppshastigheten översteg 1000r/s, en order snabbare än tidigare rapporterade hastigheter.

Studien avslöjar en ny mekanism för omvandling av spin vinkelmoment till orbital rörelsemängd, och tillhandahåller en ny metod för ljusmanipulation.

Eftersom omloppsradien och omloppsrotationshastigheten kan styras genom att justera kraften hos femtosekundlasern, objektivets NA, och nanopartiklarnas material, det kan användas brett inom olika områden, såsom optiska mikromaskiner, nanorheologi, laser mikrotillverkning, och så vidare.