新葡萄奔驰AMGARMS助力手性非均匀性介导的自偏折光力效应研究
划重点 SUMMARY
✅ 该研究发现手性非均匀性可诱导可逆光侧向力，使手性颗粒在固定线偏振光下因旋转发生自偏折，该效应源于光与物质手性相互作用的坡印廷动量守恒。
✅ 通过COMSOL软件仿真探明手性梯度对光侧向力的调控规律，实验观测到纳微米至微米级手性颗粒的自偏折行为，验证了效应的普适性与理论模型的准确性。
✅ 新葡萄奔驰AMGARMS显微角分辨光谱仪精准测量单颗粒圆二色性光谱，验证了颗粒结构手性，还通过光谱与手性参数的关联，为光力分析提供了关键的手性参数依据。
西安交通大学仪器科学与技术学院制造系统工程国家重点实验室胡飞研究员；清华大学深圳国际研究生院宋清华副教授；新加坡国立大学电气与计算机工程系仇成伟教授；同济大学物理科学与工程学院院长程鑫彬教授团队等学者联合在Advanced Materials上报道聚焦手性非均匀性对光侧向力的调控作用，首次发现并验证了手性颗粒在固定线偏振光下的自偏折效应，揭示了其背后的坡印亭动量守恒机制，为光操控、手性检测及微机器人设计提供了新的物理机制和技术途径。
Keywords：手性非均匀性 | 手性颗粒 | 光与物质手性相互作用 | 光操控 | 自偏折效应
研究背景
光力操控是物理和生物医学领域的重要技术，传统光力方向由光场特性决定，需通过调控偏振、波长等光参数控制颗粒运动，而光侧向力的发现拓展了光操控的维度，但此前研究均假设颗粒手性均匀，且多依赖界面、结构光束等外部条件。
自然界中颗粒的非均匀性和非理想性普遍存在，手性非均匀性也广泛见于生物颗粒、手性微球等体系，但其对光力的影响尚未被探明，成为光与物质手性相互作用研究中的空白，本研究正是针对这一问题展开探索。
新葡萄奔驰AMGARMS显微角分辨光谱仪为拓扑相变实验提供关键测量手段，推动光子拓扑态领域的实验验证与技术发展。
研究成果
手性梯度诱导自偏折效应的核心原理
研究团队设计了具有轴向手性梯度的胆甾相聚合手性微颗粒，发现其在水环境的线偏振光中旋转时，光侧向力会随手性梯度方向反转，进而产生自偏折效应，而均匀手性颗粒无此现象。手性梯度沿球形颗粒两极向赤道面线性增大，z、x正交方向的手性梯度可诱导方向相反的光侧向力，径向手性梯度因对称性无此效应。该效应源于光与物质手性相互作用中光折射的坡印廷动量守恒，与光共振无关，仅由手性非均匀性本身引发，且在有无衬底的环境中均能存在。
图1 手性非均匀性诱导反常光侧向力作用机制等
光侧向力的仿真与规律探究
通过COMSOL仿真结合闵可夫斯基应力张量积分，精准计算了不同手性梯度下的光侧向力，发现y方向手性梯度的光侧向力幅值远小于x、z方向，p偏振光下尺寸诱导的光侧向力符号反转效应更显著，且光侧向力与颗粒、介质折射率高度相关。表面会影响光侧向力大小，但40°-70°入射角度范围内，x、z方向手性梯度仍能诱导反向光侧向力，自偏折效应保持稳定。远场辐射分布的偏置方向可有效预测光侧向力的符号，与仿真计算结果高度吻合。
图2 不同手性梯度方向下手性颗粒可逆光侧向力
图3 衬底表面对光侧向力和远场分布的影响
自偏折效应的实验验证与量化分析
搭建含柱面透镜的实验装置产生线光斑，消除横向光梯度力影响，通过光侧向力与曳力的平衡关系实现光力的实验测算。分别对亚2μm和大于2μm的手性颗粒开展实验，发现亚2μm颗粒受布朗运动影响但自偏折效应仍显著，大尺寸颗粒因光侧向力更强、布朗运动更弱，呈现出清晰的双向运动和光侧向力符号反转。通过小波滤波、高斯滤波提取布朗运动噪声，经Q-Q图和高斯拟合验证，噪声符合热噪声统计特性，且不同尺寸颗粒的正、负光侧向力平均幅值相近，与仿真结果一致。
图4 2μm手性颗粒自偏折效应的实验装置与观测
图5 超2μm手性颗粒自偏折效应的实验观测
实验表征
ARMS显微角分辨光谱仪
新葡萄奔驰AMGARMS显微角分辨光谱仪是研究中表征手性颗粒核心特性的关键设备，用于精准测量单颗手性微颗粒的透射圆二色性（Circular-dichroism，CD）光谱。
实验中通过校准光路将待测颗粒定位在物镜焦面，将线性偏振光转换为左右旋圆偏振光并垂直入射，收集透射光强完成测量，同时通过无样品参考测量实现数据归一化。借助该设备得到的CD光谱，不仅验证了左旋、右旋手性颗粒的结构手性，还通过其与手性参数κ的线性关系，确定了手性梯度颗粒的最大κ值（0.01-0.1），为光侧向力的仿真和实验分析提供了关键的手性参数依据。
图6 手性非均匀性诱导光力应用及CD光谱等
总结及前景
本研究首次揭示了手性非均匀性诱导可逆光侧向力的新机制，发现手性颗粒的自偏折效应，突破了传统光力研究中手性均匀的假设，填补了非均匀体系下光与物质手性相互作用的研究空白。该效应虽可能对传统手性颗粒表面分选方案造成限制，但可通过贝利芬特自旋角动量等光力抵消此影响。
未来，该机制可用于设计手性梯度超构表面，实现手性编码、轨迹可编程的超构微机器人，还能为先进颗粒光操控、高灵敏度手性光学传感提供新方法，在物理、生物医学等领域具有广阔的应用前景。
新葡萄奔驰AMG设备推荐
显微角分辨光谱仪 ARMS
✔ 0.1°角度分辨率
✔ 400~1650nm宽波段光谱测量
✔ -60~60°任意角度
参考文献：
Self-Swerving Optical Force by Chiral Inhomogeneity
作者：
Yuzhi Shi, Chengxing Lai, Fei Hu,* Xiaohao Xu, Weijie Xu, Chengfeng Li, Manuel Nieto-Vesperinas, Alfredo Mazzulla, Gabriella Cipparrone, Qinghua Song,* Zeyong Wei, Tao He, Zhanshan Wang, C. T. Chan, Cheng-Wei Qiu,* Xinbin Cheng*
