导读

      在我们的日常生活中，移动和搬运物体是再平常不过的事情，比如拿起水杯、端菜、开车等。这些看似简单的动作，到了微观世界却变得异常艰难，因为我们缺乏能够将宏观指令与微观运动精准对接的工具。1986年，贝尔实验室的Arthur Ashkin发明了光镊，打破了这一局限。他成功展示了利用聚焦激光束和位移台捕捉液体环境中的微小颗粒和生命体的方法，甚至可以通过移动光束将这些微观物质运送到任意位置。然而，光镊的应用范围却主要局限于低阻力的气体和液体环境中。材料科学家们常常梦想着驾驶一款由二维材料制成的微米级“汽车”，在固体表面上灵活自如地进行材料拼接与组装。这一设想如果得以实现，将极大拓展实验探索的可能性。然而，如何在固体环境中突破这一障碍，仍然是极具挑战性的课题。

     针对这个问题，近日，西湖大学仇旻教授团队提出了一种在平坦固体界面上实现高精度光学微操控的技术，该操控技术可以驱动原本粘附在衬底上的材料在平面内实现任意方向、亚纳米精度的移动。该工作以“Precise and omnidirectional opto-thermo-elastic actuation in van der Waals contacting systems”为题，发表在国际期刊Advanced Science（《先进科学》）上。

研究亮点

      范德华接触系统是最近材料科学领域比较热门的研究课题。由于缺少化学键的作用，范德华界面具有光滑、规整的特性，其特殊的物化特性被广泛用于制备光电器件、魔角晶体等。从力学的角度分析，缺少化学键的界面给上层材料相对于下层衬底的滑移提供了可能，然而即使规整的范德华接触依然具有极大的粘附阻力（图1a）。对于微米尺度的材料来说，它们与衬底间的粘附阻力可以达到百微牛，远超过光力的量级（皮牛）。即便在运动阻力如此大的情况下，利用如图1b所示的光学系统，研究团队实现了层状二维材料和体材料在衬底上的任意方向运动（图1c）。实现材料定向移动的窍门就是把一束脉冲激光聚焦为高斯光斑，并将该高斯光斑“偏心”地照射在材料上。随后，材料将会发生质心移动，其移动方向从材料质心指向光斑中心，直到两者接近重合时停止运动。

图1. 驱动体系与效果。a.具有范德华接触的材料-衬底界；b. 实现驱动的实验装置示意图；c. 金片与多层石墨的驱动效果

     研究团队提出，该光致驱动效应依靠的是光-热-弹性波的机制（图2），也就是先通过激光的辐照在材料内部产生热脉冲，随后再由热脉冲激发弹性波实现的。这一机制背后的物理图景是光子-声子的相互作用。另外，范德华接触体系中的摩擦力也是实现驱动必不可少的要素。这可能有一些反直觉，因为摩擦力大多数情况下作为阻力出现，但我们可以将光-热-弹性波驱动与我们平常走路做一个类比：摩擦力是这两个场景中唯一的平行于位移方向的力，在走路的例子中我们需要用脚向后蹬地来获得前向的摩擦力；而在光-热-弹性波驱动的例子中，“偏心”的激光辐照可以使材料产生不对称的弹性波脉冲，使得材料整体获得一个“蹬地”的效果，而摩擦力此时就会提供材料运动所需要的外力。

图2. 光-热-弹性波驱动机制。a. 光、热、弹性波相互作用的示意图；b. 材料受到的摩擦力合力与质心运动随时间变化的关系；c. 弹性波和摩擦力在范德华接触界面上的分布图

     这项技术的一大优点在于，输入的光脉冲产生的运动在脉冲间相互独立，材料运动的速度也可以通过脉冲激光的重复频率来调控。通过视频图像分析，研究人员发现光-热-弹性波机理产生的运动具有亚纳米级别的精度，对应单个脉冲产生的位移大小（图3a）。利用这项技术，研究人员制备了可重构的等离激元狭缝型纳米天线。其中，两个金片之间的狭缝大小可利用脉冲激光调控，目前实现的调控精度可以达到纳米量级（图3b）。另外，将一片石墨微米片转移到集成光学器件上（这里展示的案例是微环谐振腔），研究人员可以通过操控石墨片与环形光波导的相对距离来调控谐振腔的损耗，从而对谐振腔的透射光谱进行调制（图3c）。根据此方法，光谱的消光比和Q值可以在很大范围内发生可重构的变化，甚至改变谐振腔的“开”、“关”状态。

图3.光-热-弹性波驱动精度及应用

总结与展望

总结与展望

      综上所述，该研究利用了脉冲激光产生的光-热-弹性波效应实现了在固体界面上对具有范德华接触材料的高精度光学操控。团队利用这项操控技术，可以实现固体界面上的材料组装，光学器件的可重构调控等。
     这一研究创新性的将传统的光学操控从流体环境拓展到了固体环境，解锁了光操控这一远程、非接触的微纳操控技术在凝聚态物理和集成光电器件系统中的应用潜力。通过设计光场和衬底表面形貌，这项技术将被赋予更多的操控自由度，可助力研究者在微纳世界中探究更多极限场景下的物理现象。

原文链接：Published in: Advanced Science, doi: https://doi.org/10.1002/advs.202401418

供稿人：贾倩楠

文章转载自：两江科技评论公众号https://mp.weixin.qq.com/s/3jpVEK10EfvieGk5FpHYaA