8月17日🕣，恒达平台物理科學與工程學院王占山教授和程鑫彬教授所在團隊的施宇智特聘研究員在物理學頂級期刊《應用物理評論》（Applied Physics Reviews）在線發表題為《超構材料中的光鑷操控技術》（Optical manipulation with metamaterial structures）的論文，被編輯選為Featured Article👨🏼‍⚕️，並被美國物理聯合會《科學之光》（AIP Scilight）報道。該論文首次歸納了超構材料光鑷操控中的物理機製，總結了典型的超構材料光鑷操控的應用，區分了超構材料光鑷操控技術的兩種典型構型：“超構光鑷”（Meta-tweezers）和“超構機器人”（Meta-robots）🎽，如圖1所示。

圖1：超構材料光鑷的典型構型分為兩大類🤷🏽‍♂️：“超構光鑷”（Meta-tweezers）和“超構機器人”（Meta-robots）🗾。本文從振幅和相位🗯🤳🏻、動量空間、時空以及角動量四個角度總結了超構材料光鑷的典型原理和應用。

光鑷技術利用光和顆粒之間的動量交換在顆粒上施加光力對其進行操控🕜，自上個世紀80年代由Arthur Ashkin教授（諾貝爾獎獲得者）發明以來，在物理、生物醫學等領域得到了巨大的應用🥕。傳統光鑷大多依賴於折射光學或經典納米結構產生的近場光🦼，通常需要大而復雜的光學系統來對光的振幅相位🧑🏻‍⚖️、波矢和角動量等進行調控，不利於光鑷系統的小型化和成本控製。超構材料可以在亞波長尺度提供電磁響應，能夠有效地對光的多個參數進行準確調控，因而可以為光鑷操控帶來新的機遇🐛。在該文中，作者首先從光鑷和超構材料的基礎理論角度總結了超構材料和光鑷系統中用於操控的基本原理，隨後介紹了“超構光鑷”的幾種典型操控案例，包括捕獲、傳輸、分選💒，以及一些奇異光學力，包括牽引力和橫向力等💇🏼‍♀️。

尤其，隨著近年來納米光學和加工技術的不斷進步，“超構機器人”當前受到廣泛的關註🤽🏼‍♀️🐩，其利用超構結構在光的激發下電磁響應產生直接作用於微結構的光學力。控製不同偏振態或偏振方向可以對力和力矩的大小和方向進行調控，實現一維🧗、二維甚至三維的超構結構的運動。未來可以設計多自由度光驅動納米機器人，在藥物傳輸與混合、單細胞靶向治療等生物醫學領域可獲得廣泛的應用。

圖2：超構材料光鑷中光力的動態調控：a📖，光的不同偏振方向控製顆粒的捕獲位置；b🏬，光學勢阱的動態調控用於顆粒分離；c🈲，等離子體“超構機器人”的直線運動；d，“超構機器人”在線偏振光和圓偏振光作用下分別以直線運動和轉動，實現二維運動；e🤧，“超構機器人”在高斯光束中的自穩定現象；f，“超構機器人”可與襯底產生吸引或排斥力🌼。

該團隊還展望了超構材料光鑷未來的發展方向👨🏻‍💼，例如更多維度和功能的超構機器人⚉、超構材料全息技術輔助的多功能操控、超構結構對自旋和軌道角動量的調控帶來更多的光鑷操控應用等💦👨🏼‍🎓。

施宇智特聘研究員為論文第一作者，清華大學深圳研究生院宋清華助理教授、南京理工大學俞葉峰教授、電子科技大學朱偉明教授📷、澳大利亞國立大學Yuri Kivshar院士和新加坡南洋理工大學劉愛群院士為論文共同通訊作者🙍🏻。該研究得到了恒达平台科研啟動經費支持。

論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0091280

AIP Scilight報道鏈接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0013730