近日，電子工程學院“微納光電子技術科研團隊”在國際知名光學期刊Nanophotonics(中科院二區，IF=6.5)發表了最新研究成果Transverse optical torque from the magnetic spin angular momentum。該成果被選為封面論文，且被期刊官方公眾號進行跟蹤報道（鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/3G7ypfdW_DwyxhUiSjxQ4g ）。論文的第一作者是研究生文繼權同學，鄭紅霞博士為論文的通訊作者，廣西科技大學為第一單位。

科研成果介紹

近年來，一種新型的光力矩引起了廣泛關注，其方向垂直于光的傳播方向，因而被稱為橫向力矩。橫向力矩的出現擴展了光學操控的自由度，為光學操控領域帶來了全新可能性。由于電磁場具備對偶對稱性，電和磁的自旋角動量具有等價性。但是在以往的研究中，非磁性微粒受到的橫向光力矩主要被視為由橫向電自旋角動量引起的，忽略了磁自旋角動量在光學操控中的應用潛力，尤其是對任意尺寸的微粒。

該團隊在各向同性球形微粒上發現了完全源自磁自旋角動量的橫向光力矩，該成果是不受微粒尺寸和材料限制的普適結論。同時，該研究結果表明，即使對于介質微粒，磁自旋角動量引起的橫向光學力矩主要受微粒磁響應的影響，而電響應的貢獻微乎其微。這些發現不僅豐富了對橫向光學力矩物理起源的認識，也為橫向磁自旋角動量的探測提供了一種有效的方法。

研究背景：自1986年Arthur Ashkin發明光鑷技術以來，光力的應用取得了重大進展。與此同時，光力矩，作為控制被捕獲微粒旋轉速度和方向的一種手段，在近幾十年來也引起了廣泛關注。源于橫向自旋角動量的橫向力矩在不同微粒和各種光場中得到了廣泛研究。以往的研究中，非磁性微粒的橫向光學力矩一般歸因于橫向電自旋角動量，因此通過光力矩只能到探測到光場自旋角動量的電分量。盡管有研究表明干涉光場照射時發現來自磁自旋的橫向力矩，但這一發現僅限于偶極尺寸的微粒，并且力矩強度較弱，難以應用于實際研究。

創新研究：為完善光力矩的理論研究，研究團隊采用廣義洛倫茲-米理論和麥克斯韋應力張量方法結合的全波模擬，精確計算了球形Mie尺寸微粒在兩個線偏振平面波構成的干涉光場中受到的橫向光力矩（如圖1）。該橫向力矩的空間分布與入射光場的橫向磁自旋角動量保持一致（如圖2），這種一致性數值上暗示了該橫向光力矩的光場依賴可以追溯到橫向磁自旋角動量。隨后，研究團隊利用多極展開理論推導了橫向力矩的解析表達式，進一步解析證明了該光場下橫向磁自旋角動量對光力矩的唯一貢獻。

干涉場中微粒上的橫向光學力矩TZ示意圖

橫向光力矩和橫向磁自旋角動量的空間分布

進一步，根據微粒響應的不同，將金屬微粒（如圖3 a）和介電微粒（如圖3 b）受到的橫向力矩分解為電響應部分和磁響應部分。對于金屬微粒，橫向力矩由電響應和磁響應的協同效應引起，電響應更明顯，而磁響應也不應忽略。對于有吸收的介電微粒，微粒的電響應對橫向力矩的貢獻遠小于磁響應的貢獻，特別是在橫向力矩的幅度明顯較高的區域，因此橫向光學力矩主要由磁響應決定。直覺上來說介電微粒的電響應應該更強，但介電微粒上電響應和磁響應在力矩中的占比（如圖3 c）揭示了與預期相反的現象：由磁響應產生的橫向光力矩出乎意料地明顯。

應用與展望：研究團隊關于完全源自磁自旋角動量的橫向光力矩的發現不僅豐富了對光與物質相互作用的理解，還為光學操控技術的發展提供了新的可能性。這一發現可能被應用于更精確的光學操控，并為探測橫向磁自旋角動量開辟了新的研究思路。

該工作得到了國家自然科學基金資助項目(12174076, 12204117, 12074084); 廣西自然科學基金項目(2023GXNSFFA026002, 2024GXNSFBA010261, 2021GXNSFDA196001)；廣西科技項目(AD22080042, AB21220052, AD23026117)，復旦大學表面物理國家重點實驗室開放項目(KF2022_15)支持。

論文作者：Nanophotonics 13(24), 4441-4449 ：文繼權，何鳳齡，馮侶，陸萬利 (中國礦業大學)，林志方 (復旦大學)，鄭紅霞*，陳華金

鄭紅霞簡介：博士、碩士生導師、柳州市高層次專業人才，廣西科技大學 “3331 高層次人才計劃”優秀青年學者。近年來主要從事光操控理論、機器學習方面的研究工作，主持及參與各級科研項目近10項，其中主持國家自然科學基金青年項目1項、省部級科技項目2項、國家重點實驗室開放課題1項。以第一作者或通訊作者發表 SCI 二區以上論文10余篇。曾榮獲 2023 年度廣西光學學會科學技術進步一等獎。

論文鏈接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0406