光具有角動量屬性。圓偏振或橢圓偏振光束攜帶自旋角動量（SAM），具有螺旋相位波前的光束攜帶軌道角動量（OAM）。在光與微粒相互作用過程中，角動量的傳遞能夠產生光力矩，驅動微粒發生旋轉運動。其中，光自旋角動量的傳遞將驅動微粒繞著自轉軸做自旋運動，而軌道角動量的傳遞能驅動微粒繞著光軸做旋轉運動。光致旋轉為微觀粒子操控提供了新的維度，已被廣泛應用于光學傳感、光微流變學、微機器人等領域。

近日，我校光學與光學工程系龔雷副教授課題組與新加坡國立大學仇成偉教授開展合作，揭示了光致微粒自旋一種新的物理機制，發現入射光束即使不攜帶自旋角動量，經過強聚焦后也能產生可控自旋力矩。該機制利用光學霍爾效應，通過調控聚焦場自旋-軌道相互作用，實現了聚焦場自旋角動量的局域傳遞，進而驅動被捕獲微粒產生連續自旋運動。相關研究成果于6月21日以“Controllable Microparticle Spinning via Light without Spin Angular Momentum”為題在線發表于國際知名學術期刊《物理評論快報》。

圖1. 光致微粒自旋的物理機制示意圖。

由于自旋-軌道相互作用，線偏振或徑向偏振光束的兩個自旋分量在緊聚焦條件下將產生橫向分離，即為一種光學自旋霍爾效應[Fig. 1(a, b)]。然而，這種自旋劈裂的間距只有亞波長量級，在與微粒相互作用時無法有效傳遞自旋角動量，不能驅動微粒自旋[Fig. 1(d,e)]。研究團隊巧妙地運用光學軌道霍爾效應來調控聚焦場自旋角動量密度分布，通過在入射徑向偏振光場引入軌道角動量疊加態[Fig. 1(c)]，有效調控兩個自旋分量的徑向間距，實現了聚焦場自旋角動量對微觀粒子的局域傳遞，最終實現了粒子的可控自轉操控[Fig. 1(f)]。

在此基礎上，研究團隊進一步開發全息光鑷的并行操控功能，通過調控入射光場波前，實現了多粒子同時捕獲，獨立平移和旋轉操控。該研究揭示了軌道角動量調控聚焦光場自旋的原理，并為光學自旋-軌道相互作用導致的力學效應研究提供了新的思路。

中國科大光學與光學工程系博士生吳一京為論文第一作者，中國科大龔雷副教授和新加坡國立大學仇成偉教授為論文的通訊作者。上述研究得到了國家自然科學基金和安徽省自然科學基金的資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.253803

（光學與光學工程系、科研部）