北京时间12月10日，同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬教授团队的施宇智特聘研究员与清华大学深圳国际研究生院宋清华研究员、法国国家科研中心Patrice Genevet等人合作在Science子刊Science Advances在线发表题为《开发连续域束缚态中的奇异拓扑光力》（Exploiting Extraordinary Topological Optical Forces at Bound States in the Continuum）的论文。该论文首次研究了基于连续域束缚态（BIC）的奇异拓扑光力，从理论上揭示了BIC的光场局域能力和偏振奇点的拓扑性质实现微粒稳定捕获、驱散和旋转的新机制。
光镊技术利用光和物质相互作用的力学效应产生光力对细小颗粒进行操控。常见的光力分为沿着光强梯度方向的梯度力和沿着波矢方向的散射力。光的梯度力通常沿着光强梯度的方向指向光强最强的位置，其通常为光束的汇聚中心。然而，研究团队通过对BIC附近的拓扑荷产生的光力进行探究发现，在不同的拓扑荷下，光子晶体板上方的颗粒可以受到捕获、驱散和旋转等不同的力学效果，这丰富了人们对光力的认知。
图1:上下层（A）对称和（B）对称性破缺的光子晶体平板结构和光力示意图。
BIC是一种特殊的光学共振态，其位于辐射态的连续谱中，但却保持着完美的局域状态。作为连续谱中的奇点，理想的BIC具备无限高的品质因子和极强的光场局域能力，可以极大增强光和物质相互作用。得益于这种特殊性质，BIC可应用于高品质因子激光器、生化检测、非线性谐波增强等。此外，BIC也常被用来揭示远场辐射偏振态的拓扑性质，被证实是远场辐射偏振矢量的涡旋中心。它具有可量化且守恒的拓扑荷，能够用来实现具有一定拓扑荷的涡旋光束。研究团队对双层光子晶体板进行研究发现，其上下两条能带均能够实现BIC，具有极高的品质因子，如图2所示。对称和对称性破缺的光子晶体的上下能带对应的远场辐射偏振态显示上下能带具有相反的拓扑荷。
图2：上下层（A-C）对称和（D-F）对称性破缺的光子晶体平板能带和远场辐射偏振态。
同时，研究团队通过对对称和对称性破缺结构的远场辐射光力分布进行研究发现：光力矢量类似于远场辐射偏振态，会绕着BIC点形成光力涡旋，并且在BIC点处产生一个光力奇点。对于上下层对称结构，对应于上下能带，微粒分别受到指向中心的捕获力和远离中心的排斥力，如图3A和3B所示；对于上下层对称性破缺的结构，即打破z轴对称性，BIC附近的远场辐射偏振态会由原来的线偏振涡旋转变成椭圆偏振涡旋，如图2E和2F所示。此时，对应于上下能带，颗粒分别受到向内的涡旋力使其绕中心旋转的同时向中心吸引和向外的涡旋力使其绕中心旋转的同时向外排斥，如图3C和3D所示。
图3:（A，B）对称和（C，D）对称性破缺结构对应的拓扑光力分布图
通过选取合适的结构参数，能带对应的本征态可以实现多个BIC点（图4A），从而形成多个光力奇点（图4B），实现多个微粒的同时操控。如图4C和4D所示，研究团队还发现了一个类似钻石形状的光力接近零的“虚无”区域，可以用来实现微粒的分选等应用。该研究开创性地从理论上提出了光力的新的实现方式，为颗粒操控提供了一个崭新的思路，有望在片上颗粒多功能操控、分选和检测等领域取得重要应用。
图4：（A，B）上(C，D)下能带本征模式实现多个BIC时对应的光力分布图
清华大学深圳国际研究生院秦昊烨科研助理为本文的第一作者，同济大学物理科学与工程学院施宇智特聘研究员、法国国家科研中心Patrice Genevet研究员和清华大学深圳国际研究生院宋清华研究员为论文的共同通讯作者。其他合作者包括清华大学深圳国际研究生院博士生苏增平和韦国丹副教授，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授，以及新加坡南洋理工大学刘爱群教授。该研究得到了同济大学科研启动经费、国自然青年基金等支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7556
