动量是光基本性质之一，包含线性动量和角动量。光镊技术利用光和物质相互作用产生的动量转换在颗粒上施加光力，具有无接触、精度高、操控尺寸小等优点，获得了2018年诺贝尔物理学奖。常见的光力包含光梯度力、辐射压力、自旋光力等。近年来，光牵引力（optical pulling force）和光横向力（optical lateral force）由于其特殊反常的物理性质受到了研究人员广泛关注。
横向动量是一种垂直于光传播方向的动量，由垂直于波矢的角动量和线性动量组成，光与物体之间的横向动量转移是产生光横向力的主要原因，如图1所示。目前，缺少光横向力的系统概括，以及光横向动量与横向力联系的全面分析与讨论。
鉴于此，近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授、香港理工大学刘爱群教授等人合作，在光学顶级期刊Advances in Optics and Photonics在线发表题为“Advances in light transverse momenta and optical lateral forces”的特邀综述。该论文首次系统地对光横向动量和横向力进行了总结，按物理机制区分了不同种类的光横向动量，并对光横向力的产生机制进行了详细阐述，如图1所示。
香港理工大学刘爱群讲席教授、同济大学王占山教授、新加坡国立大学仇成伟院长讲席教授、同济大学程鑫彬教授为论文通讯作者。同济大学施宇智教授、中国科学院西安光学精密机械研究所徐孝浩副研究员、西班牙马德里材料研究所Manuel Nieto-Vesperinas教授为论文的共同第一作者。其他对论文具有突出贡献的作者还包括清华大学深圳国际研究生院宋清华助理教授、意大利卡拉布里亚大学Gabriella Cipparrone教授、清华大学深圳国际研究生院博士生苏增平、中国科学院西安光学精密机械研究所姚保利研究员。
在综述中，研究人员首先介绍了光动量和光力的理论基础，然后分别介绍了光横向动量和横向光力的重要发展历程，如图2所示。从物理机制上看，光横向动量由横向角动量和横向线性动量组成。横向角动量包括横向自旋角动量和光子skyrmion和meron等，横向线性动量转移包括定向侧向散射（Kerker effect等）、自旋-轨道相互耦合、表面等离极化激元等。
值得注意的是，近年来广泛研究的光强度梯度力和相位梯度力，虽然可以产生垂直于光传播方向的位移，但其并不属于光横向力。横向自旋角动量和Belinfante自旋动量（图3）是引起横向光力的两种机制，近年来受到广泛关注。同时，其他机制，如手性结构、虚坡印廷动量、自旋-轨道耦合等引起的光横向力也有着特殊物理和应用，如分离手性分子（图4）等。其他产生横向（光）力的物理效应如热泳效应、气泡诱导力和拓扑光场等。
图3：横向Belinfante自旋动量引起的光横向力
该团队在论文最后展望了光学横向动量和横向力在生物学中的未来应用，如外泌体的双向分选、在线状光场中拉伸和折叠DNA分子、超构机器人运输、手性颗粒分选和螺旋二色性传感等。
Yuzhi Shi, Xiaohao Xu, Manuel Nieto-Vesperinas, Qinghua Song, Ai Qun Liu, Gabriella Cipparrone, Zengping Su, Baoli Yao, Zhanshan Wang, Cheng-Wei Qiu, and Xinbin Cheng, “Advances in light transverse momenta and optical lateral forces,” Adv. Opt. Photon. 15, 835-906 (2023)
