近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队的施宇智教授研究了自旋旋度场中手性颗粒上的复杂手性光力，并通过实验证明了不同尺寸和手性的手性粒子在不同光偏振下的双向运动，有助于对映体选择性分选和传感方面的众多应用。相关研究成果以“Observation of intricate chiral optical force in a spin-curl light field”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

手性在许多学科中都很普遍。在生物医学领域，生物分子具有丰富的手性特征。在化学中，具有不同手性的分子可以表现出不同的性质，可能充当药物或毒素。手性光力是一种通用的、非侵入性手性颗粒操控和探测方法。

光携带动量，可以传递给物体并产生光力。横向光力（也称光横向力，optical lateral force，OLF）指的是垂直于光传播方向且与光的强度和相位梯度无关的光力。手性颗粒OLF的研究，尤其是在实验方面的证明，对于实现其应用至关重要。到目前为止，手性光力的实验证明主要涉及单一的光性质，如横向自旋、横向动量和能量螺旋度梯度。多种光性质的相互作用及其在产生异常手性OLF中的作用仍存在研究空白。

研究使用聚焦成线状的椭圆偏振光束，作用在位于表面上的手性颗粒上产生OLF。光的传播方向沿−z方向，研究沿y方向的OLF（图1a）。手性颗粒是一种聚合的液晶微粒，在水中保持球形（图1b）。手性颗粒的本构关系是电-磁耦合式的，先前的研究通常只考虑单一光力，单个光力随颗粒尺寸增大而增大，而合力可能因为颗粒尺寸增大而减小或变化（图1d）。通过力的分解可以同时研究多个力的作用，如图1e和1f所示。

图1.自旋旋度场中手性粒子上的光力

实验中的手性颗粒具有螺旋结构特征（图2a和2b）。实验中观测颗粒稳定的横向位移，进而得到颗粒所受的OLF。对于不同尺寸的手性颗粒，在同一种圆偏振光照射下，受到的OLF不同（图2c）。该研究从实验上验证了理论中预测的对于不同尺寸的颗粒，光力的主导项不同（图2d）。

图2. 尺寸依赖性OLF的实验证明

对于相同手性的不同尺寸的颗粒（图3a）、尺寸相近而手性相反的颗粒（图3b），在圆偏振光照射下，可以得到相反的OLF，这有助于实现对手性颗粒的尺寸、手性分选。而对于同一个手性颗粒，切换光的偏振态，可以实现OLF的大小与方向的变化（图3c）。

图3. OLF随颗粒手性、尺寸和光偏振变化而反转的实验观测

该项研究揭示了自旋旋度场中各种光性质的力之间复杂的相互作用，并通过实验证明了一系列参数对手性光力的重要影响。实验验证了复杂的手性光力定理，并为研究手性或自旋相关的光力提供了一个有效的范例，在力探测、对映选择性分选和手性传感方面具有巨大的潜力。

同济大学程鑫彬教授、施宇智教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文通讯作者。同济大学博士研究生赖成兴为论文第一作者。其他具有突出贡献的作者还包括同济大学王占山教授、博士研究生黄海洋、夷伟成，意大利CNR纳米技术研究所Alfredo Mazzulla研究员，意大利卡拉布里亚大学Gabriella Cipparrone教授，中国科学院大学温州研究院祖岩研究员，哈尔滨工业大学丁卫强教授、李航博士，清华大学宋清华副教授和台湾成功大学吴品颉副教授。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.233802