Nano Letters：二聚物納米粒子結合電子的自旋和負轉矩

【引言】

現如今，人類可以運用激光束進行光學捕獲研究，并到達微米尺度級別。這開啟了光學物理，分子生物學，微生物學，材料科學和平版印刷術的新篇章。光鑷同樣能夠實現在微米級和納米級顆粒間動力學上的精密測量從而在統計上解決問題。然而，迄今為止，單粒子的動力學研究還未有巨大進展。

【成果簡介】??

芝加哥大學Norbert F. Scherer（通訊作者）等人進行了二聚物納米粒子結合電子的自旋和負轉矩在圓偏聚Gaussian光線中捕獲大量Ag納米粒子中心的相關實驗和模擬研究。在14mW對于入射功率平均值約為4 kHz，得出EBDs(electrodynamically bound dimers)的角速度與入射光能成線性增長關系。同時使用耦合偶極/有效極化模型，得到了散射場的遲滯和電子動能相互作用可以產生“負轉矩”，從而引起EBD對于圓形偏振在不同相對方向的自旋，進而提出并預測了負轉矩存在的分析模型。本文清晰的描述了根據運用負轉矩的electrodynamics-Langevin動力學模擬產生的這個有趣的反手自旋現象。通過改變粒子分離從而改變遲滯效應的產生，對EBD實驗數據進行分析證明了負轉矩的存在。該成果以“Rotation and Negative Torque in Electrodynamically Bound Nanoparticle Dimers”為題發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖一、在圓形極化高斯光束中EBD的形成與旋轉

(a) 從ED-LD模擬中獲得的兩個150 nm直徑的Ag納米粒子軌跡，由右旋聚焦的CP光束照亮。描述近場的EBD的形成和伴隨的旋轉（實時命令自上而下）模擬中獲得的軌跡。背景梯度對事件捕獲光束（白色是最高強度）顯示了其強度分布。

(b) 一系列實驗暗場圖像（實時命令自上而下）由兩個組成的光學二聚體組成。直徑150 nm的Ag納米粒子，順時針方向旋轉（左列）和逆時針方向（右列）分別是右旋和左旋光。箭頭指定EBD的旋轉方向。

(c,d)實驗及模擬了右旋（藍色）和左旋（紅色）CP光實時照射時EBD軸的旋轉軌跡。

圖二、入射光線能量與EBD和角動量ω的關系

(a) 在實驗中捕捉光束焦點的強度分布(左)和模擬(右)以及實驗和模擬光束的標準化強度。

(b) 通過實驗測量的入射光束功率的光學功率的函數（藍色方塊，左y軸）和通過數值模擬（紅色圓圈，右軸）的角速度。

在實驗中與表面的水動力摩擦在實驗中進行而不是模擬進行，從而造成的差異可能是由于顆粒大小和形狀的不同。

圖三、利用偶極近似法對EBD的轉矩進行分析

(a) EBD示意圖和坐標。

(b) 在EBD上的力矩是兩個150 nm直徑的Ag納米顆粒中心的長度。

(c) 在EBD上的力矩是粒子間分離的函數，是不同的粒子半徑（從25納米到85納米）。

(d) 一個由Ag納米粒子組成的EBD的扭矩，對45納米的地-表面分離作為入射源波長的函數有一個平面波源。

圖四、在150納米大小的納米顆粒上的負轉矩

(a) EBD的取向作為粒子之間從對不同最小分離的模擬結果中計算出來時間的函數，入射光束是右旋的CP聚焦高斯。

(b) 從EDLD中獲得的軌跡計算角速度（正方形，左y軸），對EBD的不同最小分色的模擬。

(c) 平均力的勢(pmf)（概率的負自然對數密度），作為面板(f)實驗數據的粒子間分離的函數。

(d) 一個顯示EBD方向的實驗軌跡;粒子從近場區域到5 ms的光學結合分離。

(e) 對于在面板(d)中，通過實驗測量瞬時!顯示的軌跡。

(f) 實驗確定了分離顯示在EBD上的一個負轉矩特征平均角速度（大約400 nm）作為粒子的函數，其結果與模擬結果一致。

【小結】

本文敘述了新穎的納米顆粒旋轉動力學利用圓偏轉光學物質研究，開辟了一條控制東方的動力學通過耦合到粒子間的分離的新道路。

文獻鏈接：Rotation and Negative Torque in Electrodynamically Bound Nanoparticle Dimers（Nano Letters，2017，DOI:10.1021/acs.nanolett.7b02196）

本文由材料人編輯部付鈺編輯，丁菲菲審核，點我加入 材料人編輯部。?

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