光学磁力捕获与光子霍尔效应：实现硅纳米粒子的磁光操控新范式

《Nature Communications》：Optical trapping with optical magnetic field and photonic Hall effect forces

本刊推荐：研究人员针对光学捕获领域长期存在的磁光相互作用缺失问题，开展了基于光学磁场的纳米粒子捕获研究。通过结合方位角偏振光束与硅纳米粒子的米氏磁偶极共振，首次实验证实了光学磁场所主导的捕获现象，并发现光子霍尔效应产生的横向散射力是实现稳定捕获的关键机制。该研究突破了传统电偶极捕获的局限，为光学物质构建和量子操控开辟了新途径。

　　

在光学操控领域，过去半个世纪的研究始终围绕着电偶极矩与电场强度的相互作用展开。自1970年Ashkin开创光学镊子技术以来，公式?F_e^PD?=α′_e/4?|E|²+α″_e/2|E|²?Φ所描述的电场所主导的梯度力与辐射压力，已成为操控微纳颗粒的黄金法则。然而，光作为电磁波的本质决定了其同时包含电场和磁场分量，尽管在高频光学波段磁化效应通常被忽略，这种"重电轻磁"的研究范式是否限制了我们对光与物质相互作用的完整认知？

研究团队通过精巧的实验设计打破了这一局限。他们发现当使用方位角偏振光束紧密聚焦时，光束中心会形成独特的纵向磁场H_z分量，其强度可达横向电场的1.5倍。与此同时，硅纳米粒子在特定尺寸范围内（约200纳米直径）会展现出强烈的磁偶极共振特性，为光学磁场的捕获实验提供了理想条件。

实验结果显示，不同尺寸的硅纳米粒子在光束中呈现截然不同的捕获行为：直径162纳米的粒子被束缚在光束的环形电场区域，而205纳米和239纳米的粒子却稳定地停留在光束中心——即纵向磁场H_z最强区域。这一现象与传统的点偶极模型预测相矛盾，特别是对于239纳米粒子，其在770纳米波长下具有负磁极化率，按照公式?F_m^PD?=α′_m/4?|H|²+α″_m/2|H|²?Φ本应被排斥出磁场最强区域。

为解释这一反常现象，研究团队提出了散射修正模型（SCM），引入了光子霍尔效应（PHE）产生的横向散射力（TSF）。当粒子偏离光束中心时，其电偶极（ED）和磁偶极（MD）模式的散射会失去对称性，产生方向性散射力。理论分析表明，磁偶极相关的横向散射力会将粒子拉向磁场最强区域，而电偶极相关的力则使粒子远离电场最强区域。

关键技术方法包括：利用方位角偏振光束产生空间分离的电磁场分布；通过暗场显微术实时追踪单个硅纳米粒子的运动轨迹；结合广义洛伦兹-米氏理论（GLMT）和麦克斯韦应力张量（MST）计算精确量化光学力；采用电子显微镜精确表征纳米粒子尺寸与形貌。

研究结果

光学光束与强光学磁性材料

通过电磁动力学模拟显示，紧密聚焦的方位角偏振光束在焦平面形成独特的场分布：中心区域以纵向磁场H_z为主（电场为零），环形区域则包含 azimuthally 偏振的电场E和径向磁场H_ρ。数值孔径（NA）为1.27时，H_z强度分别是E和H_ρ的1.5倍和3.4倍，为选择性磁光捕获创造了条件。

硅纳米粒子的光学捕获

实验通过统计分析不同尺寸粒子在光束中的概率密度函数（PDF），揭示了尺寸依赖的捕获行为：直径小于185纳米的粒子被束缚在环形电场区域，而更大尺寸的粒子则稳定位于光束中心的磁场最强区。特别是239纳米粒子展现出比205纳米粒子更窄的径向分布，表明更强的约束效果。

横向散射力与散射修正模型

通过将205纳米硅粒子置于线性偏振高斯光束的不同位置，观察到其远场散射图案的对称性变化：在光束中心时散射对称，偏离中心时则产生方向性散射。定量分析表明，横向散射力表达式F^TS-ana?-k³μ_m/12πε_mImα_eα_m*能准确描述这一现象，其中Im[α_eα_m*]项决定了力的方向。

硅纳米粒子SCM光学捕获力的尺寸依赖性

散射修正模型计算显示，在磁偶极共振附近（约200纳米），沿x方向的陷阱刚度|κ_x出现最小值，而|κ_y

研究结论与意义

本研究通过实验证实了光学磁场对硅纳米粒子的捕获作用，解决了传统点偶极模型与实验观测之间的矛盾。光子霍尔效应产生的横向散射力不仅是实现稳定磁光捕获的关键机制，更提供了全新的光操控维度。与圆形偏振高斯光束相比，方位角偏振光束在共振条件下对较大尺寸粒子展现出更优越的捕获性能。

该发现对介观量子光机械系统研究具有重要意义：粒子被稳定在电场强度最弱的区域，显著减少了光致热扰动，有利于保持量子相干性。此外，这种基于线性偏振和非均匀强度分布的偶极各向异性捕获力，为粒子分选、光学传送带等应用提供了新思路，也为研究N体效应和光学物质形成动力学创造了条件。

尽管本研究显著扩展了光学捕获的研究范畴，但仍存在一个悬而未决的问题：能否仅靠磁梯度力实现粒子在纵向磁场H_z中的捕获？这需要在磁偶极与电偶极共振光谱分离更好的材料体系（如中红外区域的超原子或高折射率材料）中进一步验证。