基于光学纳米纤维的微滴超长程光牵引：突破光子动量工程极限

研究人员针对透明物体长程光牵引难题，通过Minkowski光子动量工程，利用亚波长直径(0/3)的硅基纳米纤维实现了微米液滴的厘米级(40 cm)光牵引，最大速度达2.8 mm/s，并首次实现对抗重力(1 nN)的垂直牵引，为纳米光子学与生物光子学提供了新型操控手段。

　　

在光操控领域存在一个"反直觉悖论"：自1619年开普勒发现光压推动彗尾现象以来，光的"推力"已被深入研究，但光的"拉力"却长期面临理论预测与实验实现的巨大鸿沟。特别是对于透明物体，传统单光束牵引距离被限制在200微米量级，而理论预测的14厘米级牵引始终未能实现。这一瓶颈源于长距离光子动量传递的工程难题——如何在保持光束质量的同时精确调控波矢分布？

浙江大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究给出了突破性解决方案。他们巧妙地将光学纳米纤维转化为"光子动量变压器"，当纤维直径缩小至真空波长三分之一以下时，原本普通的1552 nm通讯波段激光竟能产生惊人的"逆推力"。这种直径仅373纳米的硅基纤维，其HE₁₁模的动量特性会发生质变：在微液滴(20-65 μm)作用下，超过99.4%的光场能量被挤压到纤维外部，形成类似无衍射贝塞尔光束的传播特性。这种特殊的光场重构使得穿过液滴的光子获得额外前向动量，产生高达1.7 nN/W的负向光力。

研究团队采用三项关键技术：1）火焰刷法制备直径精度±5 nm的超均匀纳米纤维；2）建立包含Minkowski应力张量的三维FDTD模型，精确计算Δp动量转移；3）开发微牛级光力测量系统，通过液滴运动轨迹反推作用力。实验装置中，掺铒光纤放大器(EDFA)将1552 nm激光功率提升至3W，而直径监控系统确保纤维锥区过渡损耗<0.03 dB。

【光学纳米纤维系统中的光拉力产生机制】

通过对比980 nm和1552 nm波长的差异响应，研究揭示了直径波长比(D/λ₀)的关键作用。当D=400 nm时，1550 nm光在硅油滴(折射率1.404)中引发反常动量增强效应：入射动量p_in≈?ω/c接近真空值，而出射动量p_out因近场聚焦效应显著增加，导致Δp<0。有限元仿真显示，这种"动量反转"阈值精确对应D/λ₀=1/3的参数临界点。

【微滴沿纳米纤维的超长程牵引】

在40厘米长的纳米纤维上，45 μm硅油滴被1W功率持续牵引1.5小时，平均速度75 μm/s。特别值得注意的是，在300 Pa真空环境中仍保持稳定运动，排除了光热效应的干扰。通过双波长(1535 nm与1570 nm)对比实验证实，吸收系数差异(0.43 cm^-1 vs 0.19 cm^-1)未引起速度变化，确认为纯光子动量效应。

【对抗重力的垂直牵引】

直径373 nm的纤维成功将65 μm液滴(重力约1 nN)垂直上提，速度达13 μm/s。多液滴实验中，60 μm和35 μm液滴的协同操控表明该系统具备复杂场景应用潜力。动力学分析显示，加速响应时间仅1 μs，满足实时操控需求。

这项研究重新定义了光力操控的极限：40厘米的牵引距离是理论预测值的3倍，2.8 mm/s的速度比平面波方案快100倍。其核心突破在于发现并利用了纳米纤维波导特有的"动量放大镜"效应——当D<>₀/3时，微米级液滴会自发重构光场分布，将普通通讯激光转化为高效牵引源。这种无需复杂光束整形、直接利用商业光纤器件的方案，为光流体芯片、靶向给药等应用开辟了新途径。研究还暗示，通过优化纤维材料(如氮化硅)或环境介质(如氟化油)，可能进一步突破1/3波长比的固有限制。