近日我校机械工程学院（机器人工程学院）智能光电器件与系统团队段晓勇博士与合作者在纳米颗粒光操控方面取得重要进展。2025年12月3日在美国物理学会（APS）旗下的国际著名期刊《Physical Review B》（SCI中科院二区，影响因子3.7，自然指数期刊）发表了题为Optical pulling forces via off-resonance near-field hybridization的研究论文。嘉兴大学为第一完成单位。第一通讯作者为段晓勇博士，共同通讯作者为浙江大学物理学院王立刚教授，王禹副教授为论文做出了重要贡献。

研究背景：

光学牵引力作为一种能够逆着光传播方向拉动微纳颗粒的新奇手段，近年来在微纳颗粒操控、细胞分选和靶向输送等领域展现了广阔的应用前景。然而传统光学牵引力的实现严重依赖颗粒的电磁共振效应。这导致了颗粒显著的热吸收和热运动，不利于稳定的光牵引。这不仅限制了对热敏感生物样本的稳定操作，还阻碍了颗粒在长时间精准操控中的应用。在非共振条件下实现强的光学牵引力仍然是光学微操控领域面临的一项核心挑战。

研究方法：

研究团队面对上述挑战，构建了硅-银异源二聚体的横向光束缚理论模型，采用电磁偶极近似和自洽场分布的解析方法，系统研究了平面光照射下颗粒间的近场相互作用对光学牵引力的调控作用。团队结合数值计算和有限元模拟，计算了不同条件下硅颗粒和银颗粒的光学牵引力，同时分析了体系的热吸收特性。

研究结果：

结果表明，作用于硅和银颗粒上的光学牵引力可分别独立实现和调控，其最大值可达0.25pN。尤为重要的是，这种显著的光学牵引力在非共振二聚体中即可实现，有效避免了共振热吸收带来的负面影响。研究揭示，光学牵引力的产生机制具有多样性：硅颗粒的牵引力可分别由电偶极相互作用和电磁偶极耦合作用主导，甚至完全由后者控制；银颗粒的牵引力可分别由电偶极相互作用和电偶极杂化作用主导，甚至完全由杂化作用支配（图1）。进一步的热吸收分析证实了该方案的优势：在受到最大光学牵引力作用时，纳米二聚体的热吸收功率显著低于单个银颗粒的共振热吸收功率（图2），这为稳定光牵引提供了重要保障。另外，颗粒间距和波长能有效调控光学牵引力。重要的是，通过调整入射光偏振角，可以在入射光的s偏振态下获得最大的光学牵引力。

图1. 真空波长为532nm的平面光入射硅-银异源二聚体（颗粒间隙为40nm）。作用在硅和银颗粒上的光散射力F_z^A（a）和F_z^B（b）随硅颗粒半径（横坐标）和银颗粒半径（纵坐标）的变化关系。负的光散射力代表光牵引力。（a）图中标记I、II和III分别表示电偶极作用主导光牵引力，电磁偶极耦合作用主导光牵引力，以及电磁偶极耦合完全支配光牵引力的区域。（b）图中标记1、2和3分别表示电偶极作用主导光牵引力，电磁偶极杂化作用主导光牵引力，以及电磁偶极杂化完全支配光牵引力的区域。

图2. 在最大光牵引力下二聚体的热吸收功率P_abs。（a）最大光牵引力F_z^A和F_z^B的大小（颜色）及其对应的硅和银颗粒半径。（b）二聚体处于最大光牵引力作用下的P_abs。曲线1和2分别对应（a）图曲线1和2。黑色曲线表示单个银颗粒的P_abs。当硅颗粒受到最大光牵引力F_z^A作用时，二聚体的P_abs只有单个银颗粒P_abs的近50%（红色虚线1）；当银颗粒受到最大光牵引力F_z^B作用时，二聚体的P_abs仅有银颗粒P_abs的1%-29%（蓝色实线2）。

研究意义：

团队提出了利用非共振近场电磁偶极杂化实现高效光学牵引力的方案，突破了传统的共振依赖的局限性，为光牵引的实现提供了灵活可控的新方案，为非全同微纳颗粒和细胞的分选、分类和远程输运提供了新思路。

原文链接 https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/2d67-1h2p