华中科大证实：纤维光镊可在低功率下捕获小至10纳米直径的纳米粒子

光学镊子使用光来固定三维空间中小至一个原子的微观粒子。光学镊子（也称光镊）的基本原理是光和被固定的物体之间的动量转移。类似于水会对阻挡水流的大坝产生一个压力，光推动并吸引着使光弯曲的物体。这种所谓的光学力可以被设计成指向空间的某一点，在那一点上的物体会受到光的压力作用而被固定住，达到“被钳住”的效果。因此光镊又被称之为光阱。

事实上，到目前为止，光学诱捕技术已经获得了两个诺贝尔奖，一个是1997年因保持和冷却单原子而获得的，另一个是2018年因为生物学家提供了研究单一生物大分子（如DNA和蛋白质）的工具而获得。

中国华中科技大学庞元杰教授领导的研究人员对纤维光镊（FOTs）很感兴趣。这种基于光纤的光学捕集器通过用单根或多根光纤操纵光和粒子。纤维光镊消除了对传统的、笨重的光学附件的要求，如显微镜、透镜和镜子，同时又继承了光纤系统的灵活性和稳健性。然而，使用FOTs诱捕10纳米直径的纳米颗粒（NPs）仍然具有挑战性。在这项研究中，庞元杰研究组建立了一个同轴波导模型，它在光学系统中工作，并支持横向电磁（TEM）模式来诱捕NP。波导前端的单个NPs打破了TEM-like引导模式的对称性，导致远场的高传输效率，从而强烈地改变了光动量并诱发了对粒子的大规模反向作用。

研究人员通过有限差分时域（FDTD）模拟证明，这种FOT允许在低功率下捕获单个10纳米直径的NPs。

这项题为 'Optical trapping using transverse electromagnetic (TEM)-like mode in a coaxial nanowaveguide'的研究于2021年12月6日刊登在《光电子学前沿》的封面。

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