利用光学拓扑纹理实现亚波长尺度纳米颗粒超精密操控

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提出了一种具有光学半子（meron）纹理特征的能流阵列，通过类多星系耦合机制实现了金纳米颗粒多轨道旋转，以及10nm精度分选。相关研究成果“Nanoparticle deep-subwavelength dynamics empowered by optical meron-antimeron topology”发表于《纳米快报》（Nano Letters），并入选2024年首月封面。

不同大小的纳米颗粒可能拥有截然不同的物理、化学、生物等特性，因此颗粒精密分选在众多领域意义重大。斯格明子（skyrmion）和半子（meron）通常是磁性材料中的非平面自旋纹理的拓扑缺陷，最早发现于磁场中。而光场中的skyrmion近年来受到了人们广泛关注。类比于磁skyrmion可以精密操控和分选电子，光skyrmion或meron有望在颗粒上施加更多种类的力，除了传统的梯度力、散射力，还包括自旋产生的横向力等，从而提供更精密的操控手段。有望为纳米颗粒精密操控提供一种新思路，提高颗粒分选精度。

由于采用的纳米孔阵列具有C4对称性，其能带出现双简并结构（图1a和1b）。双简并结构附近的三个区域都存在meron的特征，但区域1和3能流指向洞内，会将颗粒推到洞中，不利于颗粒表面操控。区域2中的能流将颗粒推到洞外，利于表面操控。同时，该系统中meron和antimeron是成对存在的，从而可以构造meron-antimeron阵列（图1e）。

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图1. 介电光子晶体的能带特征及meron纹理阵列

在具有meron-antimeron分布特征的能流阵列和电场热点的协同作用下，纳米颗粒被捕获或以一定的轨道发生旋转。例如，100 nm的颗粒出现了顺时针旋转（图2a），而140 nm的颗粒则出现了逆时针旋转（图2b），且不同尺寸颗粒的旋转半径不同（图2c）。因此，可以对纳米颗粒施加流体曳力，利用光学meron能流和流体拖曳力协同操控金纳米颗粒的动态行为，并由此开发一种高效的颗粒分选策略。该分选机制基于不同尺寸颗粒的不同轨道和轨道半径，在其运动一定范围后，实现分离（图2d和2e）。为了达到最佳效果，通过流体速度和光功率的控制，最高能够实现1 nm精度的分选，如图2f所示。这一研究揭示了光学meron在静止和流体环境中操控纳米颗粒的能力，为利用特殊拓扑纹理实现众多光流控应用（如生物传感、筛选和生物相互作用）提供了新思路。

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图2. 不同颗粒的轨道运动轨迹和分选结果

中国计量科学研究院戴新华研究员、香港城市大学蔡定平教授、同济大学施宇智教授和同济大学程鑫彬教授为论文共同通讯作者。同济大学博士研究生陆澄锋和上海交通大学王波教授为论文共同第一作者。其他具有突出贡献的作者还包括同济大学王占山教授、邓晓副教授、博士后何涛和博士研究生罗洪，清华大学宋清华副教授，中国计量科学研究院方向研究员、龚晓云研究员和成都电子科技大学朱伟明研究员。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03351