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近日，理论物理研究所陈君教授(共同通讯)与激光光谱研究所张磊教授（共同通讯）、博士研究生李亚鑫，浙江科技学院青年教师俞昕宁（第一作者）、徐弼军教授、汪小刚教授，以及复旦大学林志方教授、香港科技大学陈子亭教授合作，在倏逝场的横向光力研究方面取得重要进展。相关成果以“Anomalous lateral optical force as a manifestation of the optical transverse spin”为题发表于Laser & Photonics Reviews(影响因子10.947，中科院分区SCI一区TOP)。两位审稿人对本工作给予了极高的评价，均将本工作的重要性评为“杰出-该主题领域的前5%”(Outstanding - Top 5% in the subject area)。

最近，横向光力引起了光操控的广泛兴趣。这是一个有趣的现象，微粒在向前传播的光子推动下却发生侧向移动。有些横向光力现象并不难解释。例如，由粒子的手性引起的横向光力可以直观地理解为结构左右对称性破缺。但有趣的是，当光场和粒子都没有表现出明显的左右不对称，粒子仍会发生横向位移。例如，对于倏逝场中的各向同性球粒，F. Nori等学者利用偶极模型发现横向Belinfante自旋动量可以诱导横向光力。这个结论是否适用于更大尺寸的粒子，如实验中常用的Mie粒子？是否还有其它产生横向光力的机制？

光携带自旋，除了纵向自旋外，倏逝波中还存在光横向自旋。通常，光横向自旋是由能流密度的不均匀性产生。具体来说，横向自旋可以被动量方向锁定，称为自旋动量锁定。因此有望单向传输光子的真实自旋。问题是：自旋动量锁定会对光力产生影响吗？

横向光力产生机制示意图。(a)倏逝场的自旋在庞加莱偏振球面的分布情况示意图；(b)当倏逝场仅携带纯横向自旋时(s=\"[s]x =\"st，对应(a)图中绿圈)，横向光力Fx正比于横向自旋s；(c)改变传播方向，因自旋动量锁定效应，Fx随着横向自旋的反向而反向；(d)当倏逝场同时携带横向自旋和纵向自旋时(对应(a)图中红圈)，此时Fx正比于横向Belinfante自旋动量[ps]x。

基于笛卡尔多极展开理论，陈君教授及合作者建立了倏逝场中横向光力与自旋和动量之间的一般关系，该关系适用于任意大小和材料的各向同性非手性粒子。更重要的是，严格证明了当倏逝场携带纯横向自旋时，可以诱发与光横向自旋成比例的反常横向光力。这种反常的横向光力表现为贝里相位的机械效应，并提供了直接检测光横向自旋的方法。

该工作的新颖之处在于，严格证明了另一种与光横向自旋成正比的反常横向光力，提供了直接检测光横向自旋的可能，并极大促进了对光横向光力来源的物理理解。该工作还将激发人们对在其它经典波系统中寻找类似机制的极大兴趣。相信该工作将在光操控、拓扑光子学、自旋光子学等研究领域产生广泛影响。

上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、香港AoE项目、裘槎基金、山西省基础研究计划等项目的大力支持。

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https://doi.org/10.1002/lpor.202300212

来源：山西大学

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