近日，华南师范大学信息光电子科技学院副研究员戴峭峰课题组与英国伦敦国王学院教授Anatoly V. Zayats合作，成功地发展了Einstein-Laub电磁力密度公式，同时揭示了实现光学牵引力的关键在于物体内部形成总光强的负梯度。相关成果发表于《光：科学与应用》（Light：Science & Applications）。
光学牵引，作为一种前沿的光学操纵技术，为光学领域带来了全新的操控自由度。其反直觉的特性以及背后的物理机制，吸引了学术界广泛的关注。特别是在远程反向输运和光学筛选等应用领域中，光学牵引展现出了巨大的应用潜力。尽管目前绝大多数光学牵引现象都被归因于散射力，但实际上，与散射力对应的梯度力同样具备实现光学牵引的可能。然而，基于梯度力的光学牵引却鲜有文献报道。
该研究中，研究团队取得了两大重要突破：一是，他们成功地发展了Einstein-Laub电磁力密度公式，这一公式为设计梯度型光学牵引力提供了普适的理论依据。其中，公式中的力密度能够借助物体内部总场的强度梯度进行精确表达，揭示了实现光学牵引力的关键在于物体内部形成总光强的负梯度。二是，他们巧妙地类比量子隧穿中波函数在势垒中的衰减现象，利用光子带隙效应，在被操纵物体的内部实现了光强衰减，即光强负梯度，从而成功实现了光学牵引力。这一发现意味着，任何具有光子带隙的光子晶体原则上都可以作为实现光学牵引的通用平台。
值得注意的是，与常见的散射型光学牵引不同，该研究提出的方法无需精确消除被操纵物体的反射，反射率保持在60–70%的范围内，这大大降低了设计以及实现光拉力的难度。同时，通过利用光子晶体波导的横向共振效应，光学牵引力的大小得到了显著提升，最高可增强50倍。此外，这种具有横向共振的光学牵引力还展现出对吸收的不敏感性，即使在物体的复折射率发生显著变化时，光对物体的作用力依然保持为牵引力，显示出其优异的稳定性和适应性。
该研究成果不仅为深入理解光学梯度力的本质提供了新的视角，而且利用光子带隙效应实现的光学牵引技术有望在纳米物体操纵领域找到新的应用场景。此外，该技术还有可能拓展至水波、声波操纵等更广泛的领域，为经典波操纵物体的理论与技术的发展注入新的活力。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01452-y
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