近日，9999js金沙老品牌戴峭峰副研究員課題組在光學領域國際頂級期刊《Light: Science & Applications》（SCI影響因子19.4）上發表了題為“Gradient-induced long-range optical pulling force based on photonic band gap”的研究成果。9999js金沙老品牌研究生盧文龍為論文第一作者，倫敦國王學院（KCL）Anatoly V. Zayats教授和華南師范大學戴峭峰副研究員為論文共同通訊作者，我校為第一完成單位。

光學牽引，作為一種前沿的光學操縱技術，為光學領域帶來了全新的操控自由度。其反直覺的特性以及背后的物理機制，吸引了學術界廣泛的關注。特別是在遠程反向輸運和光學篩選等應用領域中，光學牽引展現出了巨大的應用潛力。盡管目前絕大多數光學牽引現象都被歸因于散射力，但實際上，與散射力對應的梯度力同樣具備實現光學牽引的可能。然而，基于梯度力的光學牽引卻鮮有文獻報道。

在本項研究中，該研究團隊取得了兩大重要突破：首先，他們成功地發展了Einstein-Laub電磁力密度公式，這一公式為設計梯度型光學牽引力提供了普適的理論依據。其中，公式中的力密度能夠借助物體內部總場的強度梯度進行精確表達，揭示了實現光學牽引力的關鍵在于物體內部形成總光強的負梯度。其次，研究人員巧妙地類比量子隧穿中波函數在勢壘中的衰減現象，利用光子帶隙效應，在被操縱物體的內部實現了光強衰減，即光強負梯度，從而成功實現了光學牽引力。這一發現意味著，任何具有光子帶隙的光子晶體原則上都可以作為實現光學牽引的通用平臺。

值得注意的是，與常見的散射型光學牽引不同，本研究提出的方法無需精確消除被操縱物體的反射，反射率保持在60–70%的范圍內，這大大降低了設計以及實現光拉力的難度。同時，通過利用光子晶體波導的橫向共振效應，光學牽引力的大小得到了顯著提升，最高可增強50倍。此外，這種具有橫向共振的光學牽引力還展現出對吸收的不敏感性，即使在物體的復折射率發生顯著變化時，光對物體的作用力依然保持為牽引力，顯示出其優異的穩定性和適應性。

這項研究成果不僅為深入理解光學梯度力的本質提供了新的視角，而且利用光子帶隙效應實現的光學牽引技術有望在納米物體操縱領域找到新的應用場景。此外，該技術還有可能拓展至水波、聲波操縱等更廣泛的領域，為經典波操縱物體的理論與技術的發展注入新的活力。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01452-y