Nano Letters:超复合多极子模式增强的光力矩及线偏振光激发的超快纳米转子

     近日，上海交通大学施宇智副教授（课题组组长为上海交大微纳电子学系主任刘景全教授）、新加坡南洋理工大学刘爱群教授和新加坡国立大学院长讲席仇成伟教授从理论上发现了由复合光学模式叠加的超复合多极子模式可以极大地增强增益材料的纳米三棱柱中的力矩。该超复合多极子模式不同于先前广泛研究的偶极子复合模式例如anapole和超级腔（连续域中的束缚态）等。本项研究具有以下创新之处：

1） 光学增益颗粒区别于传统的耗散颗粒，可以轻易地产生特殊的现象，例如：特殊模式、异常的散射、极大的力和力矩等。

2） 复合模式例如磁四极子和电环形偶极子可以数百倍增强光学力和力矩。两个复合模式可以进一步复合为超复合多极子模式，进一步增强光力矩。

3） s和p偏振的光有着截然不同的散射截面谱，且在特定的复合模式下有着极大增强的相反力矩。通过调控s和p偏振的光，可以构建超快纳米转子，这区别于传统由圆偏振光控制的转子。

图1 线偏振光激发下的复合多极子模式和极大增强的正负力矩和散射截面谱。

图2 极大增强的正负力矩和散射坡印廷矢量。

图3 多极子展开和线偏振光激发下的超快纳米转子。

    该纳米三棱柱设计可以作为高速纳米传输机器人和超快纳米转子，在生物医学中具有潜在的应用。同时，（超）复合多极子模式可以为超表面的设计提供一定的思路。相关理论研究成果以“Super-hybrid mode enhanced optical torques on Mie-resonant particles”为题发表于《Nano Letters》。

    该研究成果探究了光学增益颗粒中异常的散射、力和力矩；研究了复合和超复合多极子模式对力和力矩的影响；构建了线偏振光下超快转子，为光镊操控提供了新的思路，在生物医学以及超构表面的设计等方面也有着潜在的广泛应用。