近日，电子工程学院“微纳光电子技术科研团队”在国际知名光学期刊Nanophotonics(中科院二区，IF=6.5)发表了最新研究成果Transverse optical torque from the magnetic spin angular momentum。该成果被选为封面论文，且被期刊官方公众号进行跟踪报道（链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3G7ypfdW_DwyxhUiSjxQ4g ）。论文的第一作者是研究生文继权同学，郑红霞博士为论文的通讯作者，广西科技大学为第一单位。

科研成果介绍

近年来，一种新型的光力矩引起了广泛关注，其方向垂直于光的传播方向，因而被称为横向力矩。横向力矩的出现扩展了光学操控的自由度，为光学操控领域带来了全新可能性。由于电磁场具备对偶对称性，电和磁的自旋角动量具有等价性。但是在以往的研究中，非磁性微粒受到的横向光力矩主要被视为由横向电自旋角动量引起的，忽略了磁自旋角动量在光学操控中的应用潜力，尤其是对任意尺寸的微粒。

该团队在各向同性球形微粒上发现了完全源自磁自旋角动量的横向光力矩，该成果是不受微粒尺寸和材料限制的普适结论。同时，该研究结果表明，即使对于介质微粒，磁自旋角动量引起的横向光学力矩主要受微粒磁响应的影响，而电响应的贡献微乎其微。这些发现不仅丰富了对横向光学力矩物理起源的认识，也为横向磁自旋角动量的探测提供了一种有效的方法。

研究背景：自1986年Arthur Ashkin发明光镊技术以来，光力的应用取得了重大进展。与此同时，光力矩，作为控制被捕获微粒旋转速度和方向的一种手段，在近几十年来也引起了广泛关注。源于横向自旋角动量的横向力矩在不同微粒和各种光场中得到了广泛研究。以往的研究中，非磁性微粒的横向光学力矩一般归因于横向电自旋角动量，因此通过光力矩只能到探测到光场自旋角动量的电分量。尽管有研究表明干涉光场照射时发现来自磁自旋的横向力矩，但这一发现仅限于偶极尺寸的微粒，并且力矩强度较弱，难以应用于实际研究。

创新研究：为完善光力矩的理论研究，研究团队采用广义洛伦兹-米理论和麦克斯韦应力张量方法结合的全波模拟，精确计算了球形Mie尺寸微粒在两个线偏振平面波构成的干涉光场中受到的横向光力矩（如图1）。该横向力矩的空间分布与入射光场的横向磁自旋角动量保持一致（如图2），这种一致性数值上暗示了该横向光力矩的光场依赖可以追溯到横向磁自旋角动量。随后，研究团队利用多极展开理论推导了横向力矩的解析表达式，进一步解析证明了该光场下横向磁自旋角动量对光力矩的唯一贡献。

干涉场中微粒上的横向光学力矩TZ示意图

横向光力矩和横向磁自旋角动量的空间分布

进一步，根据微粒响应的不同，将金属微粒（如图3 a）和介电微粒（如图3 b）受到的横向力矩分解为电响应部分和磁响应部分。对于金属微粒，横向力矩由电响应和磁响应的协同效应引起，电响应更明显，而磁响应也不应忽略。对于有吸收的介电微粒，微粒的电响应对横向力矩的贡献远小于磁响应的贡献，特别是在横向力矩的幅度明显较高的区域，因此横向光学力矩主要由磁响应决定。直觉上来说介电微粒的电响应应该更强，但介电微粒上电响应和磁响应在力矩中的占比（如图3 c）揭示了与预期相反的现象：由磁响应产生的横向光力矩出乎意料地明显。

应用与展望：研究团队关于完全源自磁自旋角动量的横向光力矩的发现不仅丰富了对光与物质相互作用的理解，还为光学操控技术的发展提供了新的可能性。这一发现可能被应用于更精确的光学操控，并为探测横向磁自旋角动量开辟了新的研究思路。

该工作得到了国家自然科学基金资助项目(12174076, 12204117, 12074084); 广西自然科学基金项目(2023GXNSFFA026002, 2024GXNSFBA010261, 2021GXNSFDA196001)；广西科技项目(AD22080042, AB21220052, AD23026117)，复旦大学表面物理国家重点实验室开放项目(KF2022_15)支持。

论文作者：Nanophotonics 13(24), 4441-4449 ：文继权，何凤龄，冯侣，陆万利 (中国矿业大学)，林志方 (复旦大学)，郑红霞*，陈华金

郑红霞简介：博士、硕士生导师、柳州市高层次专业人才，广西科技大学 “3331 高层次人才计划”优秀青年学者。近年来主要从事光操控理论、机器学习方面的研究工作，主持及参与各级科研项目近10项，其中主持国家自然科学基金青年项目1项、省部级科技项目2项、国家重点实验室开放课题1项。以第一作者或通讯作者发表 SCI 二区以上论文10余篇。曾荣获 2023 年度广西光学学会科学技术进步一等奖。

论文链接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0406