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由光学磁单极子 - 反磁单极子拓扑结构驱动的纳米粒子深亚波长动力学

Nanoparticle Deep-Subwavelength Dynamics Empowered by Optical Meron-Antimeron Topology.

作者信息

Lu Chengfeng, Wang Bo, Fang Xiang, Tsai Din Ping, Zhu Weiming, Song Qinghua, Deng Xiao, He Tao, Gong Xiaoyun, Luo Hong, Wang Zhanshan, Dai Xinhua, Shi Yuzhi, Cheng Xinbin

机构信息

Institute of Precision Optical Engineering, School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China.

Technology Innovation Center of Mass Spectrometry for State Market Regulation, Center for Advanced Measurement Science, National Institute of Metrology, Beijing 100029, China.

出版信息

Nano Lett. 2024 Jan 10;24(1):104-113. doi: 10.1021/acs.nanolett.3c03351. Epub 2023 Nov 9.

DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03351
PMID:37943097
Abstract

Optical meron is a type of nonplanar topological texture mainly observed in surface plasmon polaritons and highly symmetric points of photonic crystals in the reciprocal space. Here, we report Poynting-vector merons formed at the real space of a photonic crystal for a Γ-point illumination. Optical merons can be utilized for subwavelength-resolution manipulation of nanoparticles, resembling a topological Hall effect on electrons via magnetic merons. In particular, staggered merons and antimerons impose strong radiation pressure on large gold nanoparticles (AuNPs), while focused hot spots in antimerons generate dominant optical gradient forces on small AuNPs. Synergistically, differently sized AuNPs in a still environment can be trapped or orbit in opposite directions, mimicking a coupled galaxy system. They can also be separated with a 10 nm precision when applying a flow velocity of >1 mm/s. Our study unravels a novel way to exploit topological textures for optical manipulation with deep-subwavelength precision and switchable topology in a lossless environment.

摘要

光学磁单极子是一种主要在表面等离激元极化激元和倒易空间中光子晶体的高对称点观察到的非平面拓扑纹理。在此,我们报告了在光子晶体实空间中因Γ点照明而形成的坡印廷矢量磁单极子。光学磁单极子可用于对纳米粒子进行亚波长分辨率操纵,类似于通过磁单极子对电子产生的拓扑霍尔效应。特别地,交错磁单极子和反磁单极子对大金纳米粒子(AuNP)施加强大的辐射压力,而反磁单极子中的聚焦热点对小金纳米粒子产生主要的光学梯度力。协同作用下,在静止环境中不同尺寸的AuNP可以被捕获或以相反方向环绕,模拟耦合星系系统。当施加大于1 mm/s的流速时,它们还可以以10 nm的精度分离。我们的研究揭示了一种在无损环境中利用拓扑纹理进行具有深亚波长精度和可切换拓扑的光学操纵的新方法。

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