“我们完成了国际上首例基于电磁虚动量（即虚坡印廷动量）的光学微操纵实验，为推动电磁虚动量这一原先只在理论上存在的概念向实际应用迈出了关键一步，为光镊技术提供了新的操控自由度和操控方法，同时也为电磁虚动量应用于激光冷却、真空悬浮及光学分选等场景提供了新的途径。”11月2日，西安光机所研究人员周源向记者介绍。

前不久，周源所在的西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究员团队联合暨南大学李宝军团队、新加坡国立大学仇成伟教授、西班牙国家研究委员会Nieto-Vesperinas教授，提出了广义电磁虚动量力的高阶理论模型，全面揭示了光学力与电磁虚动量之间的普适性联系，并首次从实验上验证了电磁虚动量力对微粒的动力学操控，为电磁虚动量的有质动力学特性提供了直接证据。

周源介绍，光学力是光与微小粒子相互作用时由于动量传递导致的力，可以对微粒进行操控，由此产生的光镊技术，自1986年诞生以来，作为一种不可替代的工具，已被广泛应用于物理、化学、生物和医学等领域，产生了巨大影响。

“光镊技术就是利用光学力实现对微观粒子的捕获和操控，就像是用镊子夹住一个物体一样，而这个‘镊子’是一束光。传统研究认为，光镊中入射光场施加在粒子上的光学力由梯度力和辐射压力引起，其中辐射压力直接与光场的实坡印廷动量（即光学动量）相关。”周源说。

直到2010年，西班牙的Nieto-Vesperinas教授提出，长期以来被忽略的、被认为无物理意义的电磁虚动量也能产生力学效应。但是科学家手上并没有关于电磁虚动量力存在的明确实验证据。

针对上述科学“猜想”，姚保利团队埋头攻关，从理论上和实验上双管齐下，寻求突破。团队基于多极矩张量理论和角谱展开法，从理论上严格推导出了电磁虚动量在任意尺寸微粒上诱导的光学力表达式。该解析模型可适用于任意阶多极子，全面揭示了光学力与电磁虚动量之间的普适性关联，为实现不同阶、多种类型（包括电、磁、混合型）的电磁虚动量力提供了完整的理论方法。

而在实验方面，研究团队为寻找电磁虚动量力存在的直接证据，借鉴完美涡旋光场调控手段，构建出只携带虚动量涡旋的矢量光场，排除了实动量的影响，从而可以对电磁虚动量诱导的光学力进行独立探测。周源介绍，当金属微粒被该矢量光场捕获时，偶极子散射将被完全抑制，而只激发由高阶多极子散射贡献的虚动量力，为观测高阶虚动量力提供了理想条件。

正是基于这种结构光场，研究团队在无普通光学轨道角动量（OAM）入射的实验条件下，实现了对金微米小球的旋转操控，并成功观察到了在聚焦光场亮环内外侧电磁虚动量对金微米小球的非局域作用导致的不同旋转方向和速度，完成了文章开头提到的国际上首例基于电磁虚动量的光学微操纵实验。

10月24日，上述研究成果发表于新一期的综合性科技期刊——《美国科学院院报》PNAS，文章第一作者和共同第一作者分别为周源和来自暨南大学的徐孝浩。

“我们的研究成果有助于完善光子力学理论体系，从而为物理学、生命科学各相关分支的发展提供帮助，同时也为人类认识光学动量这一基本物理学特性提供了新的视野，为光镊技术提供了新的操控自由度和操控方法，能够实现更多的操控功能，有助于发展新型光扳手与光学转子技术。”周源说。

截至目前，已有三次诺贝尔物理学直接或间接与光镊技术相关。作为一种基本研究工具，光镊已经在多个领域广泛应用。“显微技术让我们能够观察微观世界，是我们的‘眼睛’，而光镊技术就是我们的‘手’，二者结合，让我们既能‘看得见’，又能‘摸得到’。”周源说，“像清理微血管中的血栓、手性药物的识别和分选、活体细胞内的生命活动检测等，光镊技术都可以发挥作用。”

姚保利表示，团队的研究成果有望使光镊技术能够实现更多的功能，应用前景广泛。“我们将继续在特殊光场与微粒相互作用理论及光学微操纵技术方面开展科技攻关，开发新的激光光镊产品，为我国实现高水平科技自立自强贡献力量。”姚保利说。