Adv. Photon. | 综述：光子角动量扭转力学的研究征途

Advanced Photonics 2023年第3期Theme Issue on “Orbital Angular Momentum“专题文章：

光子是一种具有“波粒二象性”性质的物质，并具有能量和动量。光子的动量可以分为线动量、自旋角动量和轨道角动量，早期人们对光动量的关注点局限于线动量，但经过科学家们的长期探索，人们逐渐揭开了自旋角动量和轨道角动量的神秘面纱：1883年，Righi等人通过实验证明了光束通过旋转光学元件产生了频移（旋转多普勒频移），证明了光对物质的扭转机械作用；1909年，英国物理学家Poynting提出了圆偏振光具有角动量，并且认为当光束经过部分光学器件改变偏振态时，角动量在光束和器件之间将产生转移；1935年，Beth将一个半波片水平悬挂在石英玻璃纤维上制成扭秤，当右旋圆偏振光通过该波片转换为左旋圆偏振光时，光束自旋角动量的改变引起了波片转动，该实验的测量结果证明了圆偏光具有自旋角动量；1992年Allen等人证明了轨道角动量具有螺旋相位光束的自然属性，由此产生了轨道角动量的概念；1949年Carrara等人基于Beth等人的研究基础，实现将偏振光所施加的扭矩增加了10⁶倍……

光子轨道角动量理论的发现在科学界引发了极大的轰动，并逐渐推动了如非线性光学、量子光学、原子光学、微观力学、微流学、生物科学和天文学等多个学科的发展，同时也被开拓并广泛应用于如光通信、光学捕获、光学微操控和量子信息处理等多个领域。针对光与物质相互作用的性质研究，近日来自法国波尔多大学的Etienne Brasselet教授在Advanced Photonics发表了题为“Torsion pendulum driven by the angular momentum of light: Beth’s legacy continues”的前瞻与综述文章，概述了不同频率电磁波、声波基于光子角动量转移产生的扭转力学效应及应用研究进展。在未来，基于光子角动量转移产生的机械效应研究进展，也将引领光通讯、光信息处理、量子光学、粒子操控等领域取得进一步的突破。文章收录在Advanced Photonics 2023年第3期最新专题Theme Issue on “Orbital Angular Momentum” 中。

20世纪60年代，世界上第一台激光器的问世激发了科学家们对激光技术研究的兴趣。尽管1992年Allen等人基于Beth的研究，开启了扭转光力学的研究，但在很长一段时间内研究者们都未成功实现激光相关的探索实验。直至2005年，Delannoy等人使用功率为几十瓦的中红外(10.6 µm) CO₂激光器，并以蜘蛛丝线作为扭转丝，获得了皮Nm量级的光扭矩；2007年，Battacharya和Meystre采用一个半径为10 μm、质量为10 μg的反射镜，证明了大质量系统的旋转运动可能被捕获和冷却到基态，Battacharya等人还对腔体进行了进一步的设计；2016年He等人采用双折射波导作为扭转丝，由静态波导和垂直固定于悬浮扭转波导的纳米梁相关的光学耦合介导作为光扭矩传感，测量获得了低于10⁻¹⁸ Nm的光扭矩，2018年Fenton等人将这种光力学完全集成的方法扩展到光学纳米纤维中；2021年，Yasuda和Hatakeyama串联使用两个扭摆，实现了2 × 10⁻¹⁷ Nm的扭矩灵敏度水平。

由光学角动量的传递引起的材料系统扭转畸变并不限于扭摆，人们对由光学角动量驱动的无线扭转光力学也开展了实验研究。2001年，Piccirillo等人证明了自旋角动量转移与液晶的光诱导取向状态关系，当激发光束具有非圆强度横截面时，液晶会由于轨道角动量转移而发生扭转畸变；2002年，Bonin等人将透明纳米棒被紧密聚焦的线偏振激光束光学捕获在液体中，当其偏振方位角旋转得足够快时，纳米棒取向在垂直于光束传播方向的平面上的振荡运动；2018年，Magallanes等人还通过实验直接观测到了由于自旋和轨道自由度之间相互作用产生的光学自旋相关侧向力和左旋力矩。

随着技术的突破，研究者们发现声波也能够像电磁波一般，基于角动量转移产生声辐射扭矩：2008年Volke-Sepu´lveda和Skeldon等人基于Beth提出的理论，对可听域的声波开展了机械检测和测量，近年来基于超声弹性成像的研究背景，由声辐射扭矩驱动的无线扭转动力学也获得了飞跃式的发展，并在计量学和生物医学成像中实现了应用。随着技术的进一步突破，由于电磁波、声波角动量转移产生的扭转力学效应研究和应用，也必将引领光通讯、光信息处理、量子光学、粒子操控等领域的科技和产业革命。