近期，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队的施宇智教授和何涛助理教授首次观察到矢量光束中虚坡印廷动量（imaginary Poynting momentum，IPM）的高阶拓扑性质，实现了基于虚坡印廷动量光力的多功能光学操控。相关研究成果以“Imaginary Poynting Momentum: Polarization Topology and Versatile Optical Manipulation”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

拓扑光子学是近年来光学领域的前沿方向之一，研究光场中具有拓扑特性的结构，如涡旋光、偏振奇点等。这些结构表现出独特的鲁棒性与可控性，为激光技术、光通信、量子信息处理等提供了全新平台。相位、偏振、强度等光场特性的拓扑性质及其应用已经得到充分的研究。然而，在固有的光场特性中，IPM的物理机制长期未得到充分认识，其拓扑性质尚未得到充分研究。IPM表示坡印廷动量的虚部，是电磁能流的对应物理量，广泛存在于倏逝波和结构光等光场中。光场中能流的重要物理效应是产生作用力推动粒子。与能流相似，IPM也对光场中的粒子产生力的作用，且往往与能流产生的光力垂直，因此可用于微纳粒子操控。然而，现有研究主要聚焦于电场强度不对称性带来的效应，却忽视了IPM的拓扑性质，限制了IPM的检测手段与应用前景。探索IPM的拓扑性质，可极大延展IPM操控粒子的自由度与应用范围，为未来可能的精密分选、多功能操控、颗粒组装和生物及量子力学研究等建立物理基础。

图1、IPM的物理原理、拓扑性质及其在粒子操控中的应用。（a）聚焦后的平面波产生IPM，含有三个不同分量：偏振拓扑荷数（polarization-topology charge，PTC）相关项、强度不对称相关项以及与二者同时相关的混合项；（b）不同PTC情况下的偏振分布；（c）不同PTC情况下的偏振拓扑光力（high-order polarization-topology optical force，PTOF）；（d）偏振拓扑光学操控的里程碑；（e）不同PTC情况下的势阱。

研究团队构建了完整的IPM理论框架，首次揭示了其与PTC的内在联系。基于粒子动力学理论和实验，研究团队证明了IPM产生的光力可分解成PTOF、强度不对称相关光力以及同时与偏振和强度不对称相关的光力。其中偏振拓扑光力与偏振态的变化率相关。在多数光场中，PTOF通常与各种力（例如强度梯度力或相位梯度力）同时存在。为了隔离和观察PTOF，研究团队采用相位和强度对称分布的偏振拓扑环形光场，消除了其他力的影响。在该光场的强度最大区域，仅存在PTOF，其它区域则三种IPM光力同时存在。

图2、通过粒子动力学对IPM的拓扑性质进行实验表征。（a，b）当拓扑荷数m=1时，θ分别为45°和−45°时，3 µm聚苯乙烯颗粒分别逆时针和顺时针旋转。（c−h）当m = 2、3、4时，2、4、6个颗粒同步旋转。旋转方向取决于θ0（φ=0°处的偏振角）的变化。

值得注意的是，不同的PTC产生的PTOF满足不同的粒子动力学规律。当PTC为1时，粒子沿环形光场的圆周方向以固定速度进行顺时针或逆时针连续旋转，表明IPM在环形切向的分量是恒定的。通过调控偏振角度可精确控制粒子旋转方向和速度。在高阶偏振拓扑光场（PTC＞1）中，粒子被一组可旋转的势阱捕获。势阱数满足2(PTC−1)的规律，随拓扑荷数线性增加，而势阱深度则逐渐减小。通过旋转半波片改变初始偏振角θ0可实现势阱阵列的同步旋转，从而使捕获的粒子同步旋转。这些发现共同揭示了IPM以及PTOF的拓扑性质，证明了理论框架的正确性，提供了一种仅通过调控光的偏振分布就能实现复杂粒子操控的简洁而强大的方法，为新一代光镊系统和光学操控平台的发展建立了坚实的物理基础。

同济大学博士研究生朱宇辰与施宇智教授为论文共同第一作者。同济大学程鑫彬教授、施宇智教授、何涛助理教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文共同通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学王占山教授、陈伟锦副教授、魏泽勇副教授、顿雄副教授以及博士研究生赖成兴，清华大学宋清华副教授，香港科技大学陈子亭教授等。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag171