真空光鑷技術(shù)與應(yīng)用

田 原，鄭 瑜，郭光燦，孫方穩(wěn)

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230026)

1 光鑷簡介

光鑷是一種利用聚焦光束捕獲微粒的裝置，由于光鑷具有在操縱目標(biāo)微粒時(shí)不直接接觸樣品，對樣品損傷小等優(yōu)點(diǎn)，使之成為生物、化學(xué)研究領(lǐng)域中操控微粒的重要工具.2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了光鑷的發(fā)明者：美國科學(xué)家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)，以表彰其在光鑷的發(fā)明及其在生物系統(tǒng)的應(yīng)用所作的貢獻(xiàn).

光鑷約束微粒的能力來源于對光動(dòng)量傳遞的控制.與光具有動(dòng)量相關(guān)的記錄最早可以追溯到17世紀(jì)的開普勒對彗星彗尾指向總是背離太陽的觀察(圖1[1]).然而其理論解釋直到19世紀(jì)后，通過麥克斯韋方程組從經(jīng)典電磁波的角度證明光會(huì)對反射其的物體施加光壓力.雖然光具有動(dòng)量，但在通常情況下由光動(dòng)量傳遞所引起的作用太微弱，難以被直接觀察到.直到1901年，列別捷夫利用扭秤裝置，第一次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了光壓的存在并測量了光壓力的大小[2].1960年激光的發(fā)明拓展了光子的力學(xué)相互作用的應(yīng)用前景.激光的高能量、高定向的特性使得利用光壓移動(dòng)微觀粒子成為可能.1970年，通過對激光光束操控微觀顆粒運(yùn)動(dòng)的研究，Ashkin發(fā)現(xiàn)光不僅可以對顆粒施加平行于光傳播方向的散射力，還可以施加平行于光強(qiáng)變化梯度方向的梯度力[3].1986年，Ashkin利用1束緊聚焦的光束實(shí)現(xiàn)了對顆粒三維方向上的束縛，這種技術(shù)被人們稱為光鑷[4-5].由于光鑷對微納顆粒具有出色的操縱能力，其很快得到了生物學(xué)領(lǐng)域研究者的關(guān)注.1987年，Ashkin進(jìn)行了對多種生物樣品的光鑷捕獲實(shí)驗(yàn)，包括細(xì)菌、病毒等，證明了光鑷的對生物樣品的無損傷性[6].1994年后，Bustamante等人利用光鑷測量微力的能力，表征DNA、肌動(dòng)蛋白等生物大分子的機(jī)械特性以研究DNA折疊、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等的生物學(xué)現(xiàn)象的機(jī)理[6].此后，光鑷技術(shù)被逐步應(yīng)用于單分子生物學(xué)、膠體科學(xué)等領(lǐng)域，并發(fā)展出愈發(fā)精細(xì)的微觀操控的能力和極高的空間、時(shí)間測量精度.

圖1 彗尾永遠(yuǎn)指向太陽的反方向[1]

2 真空光鑷的基本原理

2.1 光捕獲的基本原理

光捕獲的基本原理來自于當(dāng)捕獲光場與目標(biāo)顆粒相互作用時(shí)，顆粒改變了光場分布.由于光具有動(dòng)量，光場分布改變時(shí)，光動(dòng)量的方向、大小發(fā)生改變.又由于動(dòng)量守恒，這部分改變的光動(dòng)量向目標(biāo)顆粒傳遞，以光力的形式改變了顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).在特定的光場分布中，比如緊聚焦光場，存在顆粒在光場中所受光力指向穩(wěn)定捕獲點(diǎn)的情況，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)顆粒的捕獲，從而實(shí)現(xiàn)光鑷的構(gòu)建(圖2).

圖2 光鑷捕獲顆粒實(shí)物圖[8]

在具體分析光場對顆粒的力學(xué)作用時(shí)，可以將作用在顆粒上的光力分為2部分：梯度力和散射力.梯度力大小正比于光場梯度Fgrad∝I.通過聚焦1束光束，可以獲得方向指向光束聚焦中心的梯度力場(圖3).散射力大小正比于光強(qiáng)Fscat∝I，方向沿光束傳播方向，在聚焦光場中，其作用效果是將粒子沿激光方向推出.因此要實(shí)現(xiàn)粒子捕獲，就需要使光束傳播方向上梯度力的大小足以抵消散射力.

圖3 光鑷梯度力示意圖

在實(shí)際的光力計(jì)算中，面對不同尺寸的顆粒，為了計(jì)算上的方便可以根據(jù)顆粒尺寸與捕獲光波長的相對大小關(guān)系建立不同的光場散射模型.當(dāng)粒子尺寸遠(yuǎn)小于激光波長時(shí)，可以使用瑞利散射模型計(jì)算光場力.當(dāng)顆粒大小遠(yuǎn)大于激光波長時(shí)，計(jì)算模型可以使用幾何光學(xué)模型，而當(dāng)顆粒尺寸與波長相近時(shí)，需要使用較為復(fù)雜的米氏散射模型計(jì)算光鑷作用力.

2.2 真空光鑷諧振子模型

在顆粒振幅較小時(shí)，真空光鑷捕獲光束對顆粒的作用力可近似為正比于顆粒位移大小的線性回復(fù)力.除了真空光鑷對顆粒的作用力，粒子還會(huì)受到空氣阻力以及真空環(huán)境下殘存的空氣分子與真空光鑷顆粒隨機(jī)碰撞引起的隨機(jī)力(重力太小可忽略不計(jì))，真空光鑷顆粒的動(dòng)力學(xué)方程為

其中，Γ為顆粒阻尼系數(shù)，Ω為顆粒本征角頻率，大小與捕獲光束光強(qiáng)成正比；T為環(huán)境溫度，M為顆粒質(zhì)量.等式右邊為顆粒所受隨機(jī)力與顆粒質(zhì)量的比值，其中ζ(t)為正態(tài)隨機(jī)白噪聲，〈ζ(t)〉=0，〈ζ(t)ζ(t′)〉=δ(t-t′).在真空環(huán)境下，光鑷作用力在顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制中起主導(dǎo)作用，顆粒在真空光鑷線性回復(fù)力的作用下往復(fù)振蕩.在高真空環(huán)境下，當(dāng)顆粒所受阻尼力和隨機(jī)力忽略不計(jì)時(shí)，粒子將圍繞平衡點(diǎn)做相互正交的3個(gè)自由度的簡諧振動(dòng)，某一振動(dòng)維度上的功率譜為

其功率譜形狀如圖4所示.

圖4 粒子的三軸位置功率譜[8]

3 光鑷研究方法概述

3.1 真空光鑷結(jié)構(gòu)

真空光鑷裝置如圖5所示，圖中AOM為聲光調(diào)制器，用于調(diào)制光強(qiáng).Dove棱鏡用于將光束旋轉(zhuǎn)90°，從而探測真空光鑷顆粒y軸信號(hào).波長為1 064 nm的激光通過透鏡擴(kuò)束后進(jìn)入真空腔中的物鏡聚焦產(chǎn)生光勢阱，再通過非球面鏡變成平行光束，利用反射鏡將前散射光沿不同方向分束進(jìn)行顆粒x和y軸位置分量的測量，z軸位置則通過后散射光分量與前散射光分量的差值信號(hào)得到.將采集獲得的位置信號(hào)傳輸?shù)椒答佅到y(tǒng)中，反饋系統(tǒng)將位置信號(hào)處理后得到反饋信號(hào)傳至聲光調(diào)制器從而調(diào)節(jié)激光光強(qiáng).

圖5 真空光鑷裝置示意圖

真空光鑷系統(tǒng)根據(jù)功能不同可以分為以下幾個(gè)部分：捕獲光學(xué)系統(tǒng)、位置探測系統(tǒng)、粒子投送系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和反饋冷卻系統(tǒng).捕獲光學(xué)系統(tǒng)主要包括捕獲光的擴(kuò)束和聚焦，用于形成捕獲微粒用的光勢阱.位置探測系統(tǒng)主要包括前散射光收集和光電探測器組，用于探測粒子位置.粒子投送系統(tǒng)用于粒子運(yùn)送到激光聚焦中心附近.真空系統(tǒng)用于生成真空環(huán)境.反饋冷卻系統(tǒng)用于在高真空下提供反饋?zhàn)枘?，提高光鑷在高真空環(huán)境下工作的穩(wěn)定性.下面將根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)流程.介紹粒子投送方法與信號(hào)校準(zhǔn)過程.

3.2 粒子投送

粒子投送(起支)是指將微粒送到光阱可捕獲范圍內(nèi)的過程.由于顆粒與承托其的基板間的范德瓦爾斯力的大小和顆粒直徑的平方成反比，直徑為1 μm的SiO2小球所需克服的范德瓦爾斯力比自身重力還要高7個(gè)數(shù)量級(jí).比光力高5個(gè)數(shù)量級(jí).為克服范德瓦爾斯力，主要有3種顆粒投送方法：壓電陶瓷振蕩、分散溶劑霧化和脈沖激光爆轟.壓電陶瓷振蕩法為利用電脈沖驅(qū)動(dòng)下壓電陶瓷快速收縮伸長振蕩基板，產(chǎn)生上百gf的慣性力從而將粒子甩出，射入光鑷中.分散溶劑霧化法是利用超聲波、壓縮空氣或者微孔霧化的方式將溶解有目標(biāo)顆粒的溶劑霧化成微米尺寸的液滴，液滴中的顆粒在溶劑揮發(fā)后飄入光鑷捕獲范圍.脈沖激光爆轟法則是利用脈沖激光聚焦在目標(biāo)顆?；迳希眉す馑查g氣化顆粒下基板，氣浪將顆粒推入光鑷中.

不同投送方式的選擇，取決于顆粒的大小、投送環(huán)境氣壓等條件.比如，對于直徑1 μm以下的顆粒通常使用霧化法，而對直徑1 μm以上的顆粒通常使用壓電陶瓷振蕩法.

3.3 位置信號(hào)測量

捕獲顆粒的位置信號(hào)測量是真空光鑷的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方式有很多種.基本原理是利用對捕獲顆粒散射光的測量.圖6(a)展示了利用透鏡或光纖收集側(cè)向散射光的位置探測方式.此外也有用光學(xué)腔收集的方式，未在圖中展示.圖6(b)為前散射光干涉測量的示意圖，粒子的散射光和原捕獲光相互干涉，被透鏡收集后用反射鏡從光束橫截面中心豎直劈開，分為水平方向上的2束光，分別被平衡探測器的2個(gè)探頭探測，平衡探測器將2束光的信號(hào)做差，差值為V，在一定粒子偏移范圍內(nèi)，粒子在圖中水平方向的偏移與V成正比，即

(a) (b)

x=cV,

其中，c為校準(zhǔn)系數(shù).通過配置不同的分光方式可以實(shí)現(xiàn)對顆粒的三維位置探測.相比其他位置探測方式，前散射光探測法利用光的干涉放大了捕獲顆粒的位置信號(hào)，在需要探測納米級(jí)位移的真空光鑷體系中是最為常用的位置探測方式.

3.4 信號(hào)校準(zhǔn)

真空光鑷校準(zhǔn)指通過實(shí)驗(yàn)方法得到原始探測信號(hào)與顆粒實(shí)際位移之間的轉(zhuǎn)換系數(shù).由于該轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參量繁雜，難以直接計(jì)算得到，因此一般通過實(shí)驗(yàn)測量.真空光鑷校準(zhǔn)對于真空光鑷精密測量具有重要意義，校準(zhǔn)系數(shù)的測量精度將影響所測物理量的精度.下面將介紹3種校準(zhǔn)系數(shù)測量方案.

3.4.1 隨機(jī)力方案

其中,M為粒子質(zhì)量，Ω為粒子振蕩本征角頻率，T為粒子的動(dòng)力學(xué)溫度，kB為玻爾茲曼常量.在沒有施加冷卻時(shí)，其等于粒子周圍環(huán)境的溫度.將位置信號(hào)和電壓信號(hào)的關(guān)系代入即可得到校準(zhǔn)系數(shù).

該方法的優(yōu)點(diǎn)為操作簡單，缺點(diǎn)為得到的校準(zhǔn)系數(shù)精度不高，粒子質(zhì)量誤差是限制該方法測量精度的最主要因素.

3.4.2 電場力方案

真空光鑷中捕獲的顆粒通常都攜帶有少量電荷.在施加交變電場的情況下，帶電顆粒的動(dòng)力學(xué)過程類似于受迫振動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生頻率等于外加電場的頻率的運(yùn)動(dòng)分量，在運(yùn)動(dòng)信號(hào)的功率譜上表現(xiàn)為在驅(qū)動(dòng)力頻率處存在峰值，如圖7所示(氣壓值為0.1 Pa.粗虛線為顆粒位置功率譜的擬合曲線，豎直虛線為交流力的頻率).該峰值高度與電場強(qiáng)度和諧振子性質(zhì)有關(guān)，在已知電場強(qiáng)度等其他物理量的情況下，通過對探測的電壓信號(hào)的功率譜在驅(qū)動(dòng)力頻率附近的值進(jìn)行積分處理即可得到校準(zhǔn)系數(shù).該方法的好處在于適用氣壓范圍廣，缺點(diǎn)在于仍然需要顆粒的質(zhì)量信息，校準(zhǔn)精度受質(zhì)量誤差拖累.

圖7 交流力作用下施加反饋冷卻下真空光鑷顆粒功率譜[10]

3.4.3 非線性方案

通常在真空光鑷中使用的捕獲光束是高斯分布的，故其生成的光勢阱形狀也接近高斯線性.當(dāng)捕獲顆粒運(yùn)動(dòng)幅值較小時(shí)，其所感受到的勢阱形狀接近拋物線形，受線性回復(fù)力.而當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)幅值較大時(shí)，勢阱形狀偏離拋物線形，回復(fù)力中出現(xiàn)正比于位移高次項(xiàng)的非線性力項(xiàng)，這其中起主要作用的是三次方項(xiàng).

非線性回復(fù)力對真空光鑷捕獲顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要影響結(jié)果表現(xiàn)為：顆粒在不同振幅時(shí)的本征頻率不同，本征頻率隨振幅的增加而降低.頻率降幅正比于振幅平方.通過測量不同電壓信號(hào)振幅下捕獲顆粒振動(dòng)頻率的變化，獲得信號(hào)振幅與振動(dòng)頻率的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合對勢阱非線性的已知信息，得到實(shí)際振幅與測量信號(hào)振幅間的對應(yīng)關(guān)系，從而獲得校準(zhǔn)系數(shù).

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫方穩(wěn)團(tuán)隊(duì)通過真空光鑷顆粒的運(yùn)動(dòng)操控，測量不同振幅下真空光鑷顆粒的非線性頻移，實(shí)現(xiàn)了顆粒校準(zhǔn)系數(shù)與質(zhì)量的高精度測量，其質(zhì)量精度與校準(zhǔn)精度分別為2.2%和1.0%，其中真空光鑷顆粒校準(zhǔn)精度是目前最高的校準(zhǔn)精度[11].

3.5 冷卻

冷卻的基本原理為：通過某種方式，對顆粒施加與其運(yùn)動(dòng)方向相反的力，從而降低顆粒運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能.該外加的力被稱為冷卻力.

根據(jù)施加冷卻力的類型或冷卻原理，冷卻方案可分為光動(dòng)量反饋冷卻、參量反饋冷卻、腔冷卻、靜電力反饋冷卻，各方案的對比如表1所示.

表1 不同冷卻方案對比

3.6 參量反饋冷卻與運(yùn)動(dòng)操控

在上述冷卻方案中，參量反饋冷卻方案因?yàn)檠b置簡單，成為最廣泛使用的冷卻方式.

構(gòu)筑光勢阱的光梯度力是保守力，在沒有外力干擾時(shí)，保守力勢阱中運(yùn)動(dòng)粒子的機(jī)械能守恒，然而守恒的前提條件是保守力不隨時(shí)間變化.由于梯度力與光強(qiáng)成正比，通過控制捕獲光光強(qiáng)可以使光鑷的彈性系數(shù)隨著時(shí)間發(fā)生改變，機(jī)械能守恒將不再成立.參量反饋冷卻的原理是通過周期性改變光場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)粒子的冷卻.如圖8所示，參量反饋控制在粒子遠(yuǎn)離平衡位置時(shí)增強(qiáng)光強(qiáng)，在粒子靠近平衡位置時(shí)減弱光場.從能量的角度來看，粒子振蕩達(dá)到峰值處時(shí)，粒子的能量由于彈性系數(shù)的變化而減少，從而實(shí)現(xiàn)了粒子的冷卻.

圖8 參數(shù)反饋冷卻方案[8](紅色代表光場強(qiáng)度，藍(lán)色代表粒子位置)

此外，除了單純的冷卻控制，如果在粒子遠(yuǎn)離平衡位置時(shí)施加弱光強(qiáng)，靠近平衡位置時(shí)施加強(qiáng)光強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)粒子的加熱.通過實(shí)時(shí)測量粒子的動(dòng)力學(xué)溫度，在參量反饋冷卻與加熱的共同作用下，可以實(shí)時(shí)根據(jù)顆粒的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)溫度調(diào)控顆粒的冷卻與加熱，實(shí)現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)幅值和能量的控制，當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)定為某一定值時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)類似于完美的簡諧運(yùn)動(dòng)，如圖9所示.

圖9 粒子操控實(shí)現(xiàn)近乎完美的簡諧運(yùn)動(dòng)[8](V代表光電探測器探測到的信號(hào))

4 真空光鑷的應(yīng)用

真空光鑷在精密測量、宏觀量子態(tài)和微觀熱力學(xué)研究等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，本節(jié)將主要從這3個(gè)應(yīng)用方向進(jìn)行闡述.

4.1 精密測量

由于高真空下真空光鑷捕獲顆粒的運(yùn)動(dòng)具有較長的相干時(shí)間，相比于其他納米振蕩器沒有機(jī)械接觸引起的損耗，真空光鑷可以實(shí)現(xiàn)亞納米尺寸下有關(guān)力、質(zhì)量、加速度等物理量的精密測量.

4.1.1 力測量

相比于懸臂系統(tǒng)等其他納米振蕩器的力學(xué)測量，光鑷的優(yōu)點(diǎn)在于可以測量卡西米爾力等短程相互作用.在實(shí)驗(yàn)上，Winstone[17]觀測到當(dāng)真空光鑷帶電顆粒與硅板距離只有μm量級(jí)時(shí)，由于靜電相互作用粒子的勢阱發(fā)生變化，其勢阱變化和理論計(jì)算，如圖10所示.

圖10 光鑷測量短距離相互作用[18]

4.1.2 加速度測量

4.1.3 質(zhì)量測量

由于納米顆粒的質(zhì)量達(dá)到fg量級(jí)，傳統(tǒng)的方法難以測量如此小的質(zhì)量.除了在信號(hào)校準(zhǔn)一節(jié)中提到的非線性力的質(zhì)量測量方案，Ricci團(tuán)隊(duì)利用交流電場力，實(shí)現(xiàn)了對真空光鑷顆粒質(zhì)量的精密測量.首先利用光電效應(yīng)，真空光鑷顆粒的電荷可以被控制和測量，在真空光鑷力和交流電場力的共同作用下，顆粒的功率譜在驅(qū)動(dòng)力頻率和本征頻率處均有峰值，且峰值之比與質(zhì)量成正比，再將測量得到的顆粒阻尼系數(shù)、電荷量和擬合得到的電場強(qiáng)度代入即可得到峰值比與質(zhì)量之間的比例系數(shù)，從而得出粒子的質(zhì)量.利用該方案可實(shí)現(xiàn)2.5%的測量精度[20].除此之外，Blakemore等人利用靜態(tài)電場力和重力平衡測量pg級(jí)懸浮顆粒的質(zhì)量[18].

4.1.4 其他測量

除了真空光鑷力、加速度等動(dòng)力學(xué)物理量的精密測量研究外，利用真空光鑷進(jìn)行溫度、電荷等物理量測量的研究也有報(bào)道.Millen[21]通過分析粒子功率譜得到粒子的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)溫度，而Hebestreit[22]通過觀察關(guān)閉冷卻后粒子升溫速率得到粒子本身的熱力學(xué)溫度.Moore[23]通過紫外線照射激發(fā)粒子產(chǎn)生光電效應(yīng)，改變粒子帶電量以探測分?jǐn)?shù)電荷的存在.

4.2 宏觀量子態(tài)

真空光鑷將顆粒冷卻至宏觀量子基態(tài)，對研究物體在什么尺度下具有量子特性的研究具有重要意義.首先，真空光鑷可以捕獲亞納米尺寸的顆粒，在該尺寸下的量子效應(yīng)一直是量子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).其次真空光鑷中的顆粒在高真空中與環(huán)境干擾隔絕，研究體系有足夠長的相干時(shí)間用于量子效應(yīng)的測量.因此自從真空光鑷被提出以來，宏觀量子態(tài)的研究一直是真空光鑷領(lǐng)域研究的熱點(diǎn).在技術(shù)上，觀測到宏觀量子態(tài)需要將粒子冷卻到量子基態(tài)附近.2019年維也納小組利用腔冷卻首次實(shí)現(xiàn)了真空光鑷體系的基態(tài)冷卻，其光懸浮諧振子的平均聲子數(shù)低至0.43[24].量子基態(tài)冷卻裝置如圖11所示，ωcav為腔的共振頻率，數(shù)值上等于捕獲光頻率與粒子x軸本征頻率Ωx之和.ωhet為對散射光進(jìn)行外差測量而引入的頻率，Г為光學(xué)腔的衰減速率.捕獲光照射到被捕獲顆粒，發(fā)生反斯托克斯散射，將捕獲顆粒的能量帶出，而真空腔通過控制共振頻率促進(jìn)該散射現(xiàn)象的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)了捕獲顆粒的冷卻.

圖11 量子基態(tài)冷卻裝置示意圖[24]

4.3 微觀熱力學(xué)

微觀熱力學(xué)主要研究微觀粒子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng).真空光鑷是微觀熱力學(xué)的良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái).由于真空光鑷顆粒的位置與速度可以被實(shí)時(shí)測量，粒子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)可以被實(shí)時(shí)監(jiān)控.真空光鑷中顆粒可以被長時(shí)間穩(wěn)定捕獲，為熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)提供充足的數(shù)據(jù).相比于以往宏觀熱力學(xué)系統(tǒng)對多粒子統(tǒng)計(jì)的研究方式，真空光鑷顆粒研究利用單粒子在時(shí)間尺度上的統(tǒng)計(jì)，能量、功、熵等物理量的波動(dòng)大小與平均值在相近甚至大于其平均值，因此有望在微觀領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新奇的熱力學(xué)現(xiàn)象.2010年李統(tǒng)藏教授利用光鑷測量了布朗運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，從實(shí)驗(yàn)上證明了布朗運(yùn)動(dòng)的理論，為今后真空光鑷在微觀熱力學(xué)領(lǐng)域的研究奠定了基礎(chǔ).Rondin等人利用真空光鑷在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了Kramers turnover理論在特定阻尼范圍的正確性(圖12)[25].此外，通過周期性改變外力或捕獲激光功率，可以使真空光捕獲顆粒處于非平衡狀態(tài).真空光鑷與外界環(huán)境的隔絕狀態(tài)使非平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)的弛豫過程更緩慢也更容易觀察，因此真空光鑷也成為非平衡熱力學(xué)物理研究的良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái).2018年，李統(tǒng)藏小組利用真空光鑷顆粒對微分波動(dòng)定理進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且對其他非平衡理論例如Jarzynski恒等式也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[26].

圖12 Kramers turnover在真空光鑷上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[25](證實(shí)亞穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換速率在特定阻尼系數(shù)下達(dá)到最大值)

5 總結(jié)與展望

真空光鑷的研究近10年如火如荼，方興未艾.隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的日趨成熟，對真空光鑷極限性能的追求成為新的技術(shù)挑戰(zhàn)：粒子的冷卻極限能否進(jìn)一步降低，能否構(gòu)建不依賴粒子冷卻的高真空光鑷、粒子校準(zhǔn)精度能否進(jìn)一步提高，光鑷的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)能否隨著應(yīng)用場景的需求產(chǎn)生新的變化，等等.在應(yīng)用層面，能否利用真空光鑷探測到暗物質(zhì)、暗能量的存在，能否利用光鑷作為運(yùn)載工具和其他多能級(jí)量子系統(tǒng)(如金剛石氮-空位色心)結(jié)合，這些問題都有待研究.除此之外，微觀熱力學(xué)和非平衡物理也仍有許多問題值得研究.

本文通過對真空光鑷的發(fā)展歷史、研究方法和應(yīng)用方向的梳理，以及對真空光鑷未來的展望，增進(jìn)讀者對真空光鑷領(lǐng)域研究的了解.作為一種極其靈敏的測量工具，真空光鑷與其他領(lǐng)域的結(jié)合將有望發(fā)現(xiàn)過往因精度有限而無法發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，而真空光鑷宏觀量子態(tài)的實(shí)現(xiàn)則有望為物理學(xué)基礎(chǔ)理論——量子力學(xué)提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.真空光鑷與其他領(lǐng)域結(jié)合的趨勢愈發(fā)明顯.