各向异性超表面的低功率光阱实现非对称势垒和宽带响应

对纳米颗粒的稳定捕获需要高强度和紧密聚焦的激光束，而光加热可能损坏纳米颗粒，表面等离基元极化子（SPPs）的性质可以减小损伤，等离激元极化子是在电介质-金属界面传播的局限电磁波。当粒子位于等离激元表面的近场中时，散射的疏逝波可以耦合到结构并激发引导的SPP。这种疏逝波耦合受自旋-轨道相互作用控制：只有那些具有与入射波之一相同的横向自旋的表面等离子体激元才会被激发。为了补偿这些定向SPP的动量，在与等离激元的波矢相反的方向上作用的粒子上施加了非保守的反冲力。为了提高反冲力的强度，出现了各向异性和双曲形的超表面（HMTSs）来代替大量的等离激元金属。但是HMTSs中这种力的强度比双曲形超表面之上的力弱，并且出现在较短的波长范围内，且辐射源散布的疏逝场主要耦合在超材料与周围环境之间的界面上，这极大的限制了它的应用。

       近日，加利福尼亚大学戴维斯分校电气与计算机工程系的J.S. Gomez-Diaz团队使用线性偏振高斯光束照射的各向异性和双曲形超表面对瑞利粒子进行横向光学捕获。该系统可以在波束轴上设计光阱，光散射过程中特定表面等离激元的定向激发产生非常规和巨大的横向反冲力，以支配其光响应。与在整块金属或薄层结构中的光阱相比，能够对基于超表面的等离激元以任何频率的波束设置阱的范围。在此范围内，超表面色散从各向异性的椭圆形演变为双曲线型，并经历了拓扑过渡，并使光陷阱具有独特的空间非对称电势分布，受激等离子体的动量不平衡引起的局部电势垒和增强的电势深度以致可用低强度激光束稳定捕获纳米颗粒。并且该团队还通过亥姆霍兹分解法计算出纳米结构化薄金属层的各向异性双曲超表面的具体参数，在可见光或红外频率下工作的低强度激光源捕获和操纵纳米级的粒子，并可能在生物工程学，物理学和化学中实现广泛的应用。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

文章链接：http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014018