冷原子與量子物理
實驗上，冷原子被用于研究玻色-愛因斯坦凝聚（BEC），超流，量子磁性，多體系統(tǒng)，BCS機制，BCS-BEC連續(xù)過渡等，對理解量子相變有重要意義。冷原子也被用于研究人工合成規(guī)范場，使人們可以在實驗室中模擬規(guī)范場，從而在凝聚態(tài)體系中輔助驗證粒子物理的理論（而不需要巨大的加速器）。冷原子還可以用于研究量子信息學(xué)，量子計算等。
在光阱力的作用下，冷原子可以被穩(wěn)定的操控，精確的操控，以單個原子云或者冷原子3D陣列的形式存在。而且多光阱高速光鑷技術(shù)可以單獨操控陣列中的一個或者多個原子，按照預(yù)設(shè)軌跡運動，從而為冷原子實驗操作提供更高的靈活度。
捕獲單個原子實現(xiàn)量子物質(zhì)組裝
誘導(dǎo)可調(diào)諧長程原子與光子的相互作用的能力提供了探索多體物理和量子光學(xué)的機會。 在這項研究中，我們在一個平面光子電路上實現(xiàn)了一個可配置的光鑷陣列，證明了單個銫原子可以被光學(xué)鑷子捕獲，緊緊地聚焦在納米結(jié)構(gòu)的表面上。這些被捕獲的原子可以利用電子倍增CCD攝像機上進行熒光成像。由聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）控制的光阱，形成一個非均勻晶格的微陷阱，可以定位多個冷原子。這樣的鑷子晶格可以轉(zhuǎn)換成光學(xué)傳送帶，將捕獲的原子輸送到鑷子焦點或從鑷子焦點中輸出，以便在平面介質(zhì)附近垂直定位，用于原子-納米光子學(xué)晶格組裝。
對鐘型光鑷陣列的鍶原子實現(xiàn)2000次重復(fù)成像
我們演示了單原子分辨成像，生存概率為0.99932（8)，保真度為0.9991(1），使我們能夠在光鑷中對單個原子進行數(shù)千次重復(fù)的高保真成像。 我們進一步觀察到激光冷卻超過7分鐘的壽命，比以前的光鑷研究時間長了一個數(shù)量級。 在813.4nm波長的光鑷陣列中，用鍶原子進行了實驗，鑷子陣列處于時鐘躍遷的magic wavelength。 調(diào)諧到這個波長是通過在組合線關(guān)閉魔法西西弗斯冷卻（off-magic Sisyphus cooling），這讓我們可以幾乎任意選擇鑷子波長。 我們發(fā)現(xiàn)，在徑向方向上的單個非反射冷卻光束足以減輕成像過程中的反沖加熱。 此外，這種冷卻技術(shù)的溫度低于5μK，如釋放和回收所測量的。最后，我們證明了時鐘狀態(tài)分辨檢測的平均生存概率為0.996（1)，平均狀態(tài)檢測保真度為0.981(1）。 我們的工作為堿土原子的大型無缺陷陣列的原子組裝鋪平了道路，其中反復(fù)詢問時鐘躍遷是一種迫在眉睫的可能性。
圓形Rydberg原子的激光俘獲
里德堡原子是量子模擬和計算的重要工具。 它們是一種強烈的實驗活動的焦點，主要是基于低角矩Rydberg態(tài)。 不幸的是，原子運動和能級壽命將實驗時間限制在100μs左右。 在這里，我們演示了二維激光捕獲長壽命的圓形Rydberg態(tài)高達10ms。我們的方法是非常通用的，并為Rydberg原子的量子技術(shù)提供了許多機會。 在基于循環(huán)態(tài)的量子模擬器中，10ms的捕獲時間對應(yīng)于數(shù)千個相互作用周期。 該方法通過將原子場相互作用時間帶入前所未有的狀態(tài)，有望用于量子計量學(xué)和Rydberg原子的量子信息研究。
單個Rydberg原子在具備有質(zhì)動力的瓶束狀光阱中的三維俘獲
通過光鑷，可以實現(xiàn)全息瓶狀光束光阱對單個Rydberg原子的三維俘獲。這項研究將處于標(biāo)準(zhǔn)光鑷捕獲中的87rb原子，從冷基態(tài)激發(fā)到nS1/2、nP1/2或nD3/2 Rydberg態(tài)，并將它們轉(zhuǎn)移到850nm的空心光學(xué)陷阱中。當(dāng)主量子數(shù)60≤n≤90，測量的捕獲時間與300k環(huán)境中的Rydberg態(tài)壽命一致。該研究通過執(zhí)行單量子位微波Rabi翻轉(zhuǎn)，以及通過測量兩個被捕獲分離40μm的Rydberg原子之間的相互作用誘導(dǎo)的相干自旋交換動力學(xué)，表明這些空心光學(xué)陷阱與量子信息和模擬任務(wù)兼容。這些結(jié)果將在高保真量子模擬和Rydberg原子量子邏輯運算的實現(xiàn)中得到應(yīng)用。
激光強度波動對1064nm顯微光鑷俘獲的單個鈰原子俘獲壽命的影響
由紅光失諧1064nm激光的強聚焦單空間模式高斯光束組成的光學(xué)鑷子可以在光強最強的點限制單個鈰(Cs)原子?？捎盟鼇韺瘟孔游缓蛦喂庾釉催M行相干操縱。由于背景原子的沖擊、光鑷的參數(shù)加熱和原子的殘余熱運動，光鑷中原子的俘獲壽命很短。此研究分析了背景壓力、光鑷陷阱頻率和光鑷激光強度波動對原子俘獲壽命的影響：結(jié)合基于聲光調(diào)制器(AOM)的外部反饋回路，將1064nm激光在時域中的強度波動從±3.360%抑制到±0.064%，頻域抑制帶寬達到約33k Hz，可將單個Cs原子在顯微光鑷中的捕獲壽命從4.04s延長到6.34s。
膠體物理
雙光阱光鑷已被用來直接測量兩個二氧化硅顆粒之間的相互作用力，以控制離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)的濃度。通過在一個點光阱和一個線性光阱中捕獲兩個二氧化硅粒子，并控制線性陷阱使一個粒子接近另一個粒子，可以通過粒子間距離的變化，測量這兩個粒子之間的相互作用力。結(jié)果表明，隨著SDBS濃度的增加，兩個二氧化硅顆粒之間的相互作用力出現(xiàn)在兩個二氧化硅顆粒之間較近的表面距離上。只有低于SDBS臨界膠束濃度(cmc)的二氧化硅顆粒之間存在排斥力，用經(jīng)典的Derjaguin - Landau - Verwey - Overbeek (DLVO)理論可以很好地擬合。然而，在SDBS膠束產(chǎn)生的誘導(dǎo)下，耗盡引力出現(xiàn)在SDBS的cmc上方。通過現(xiàn)場測量兩種硅顆粒在不同濃度SDBS存在下的相互作用力，可以定量計算出耗盡力。
氣溶膠與大氣物理
有機氣溶膠可能在大氣中以半固態(tài)、玻璃態(tài)和高粘滯狀態(tài)形成，在低相對濕度(RH)條件下表現(xiàn)出非平衡動力學(xué)特征。使用光鑷，結(jié)合高速攝影與真空傅里葉紅外光譜儀來研究高有機/無機摩爾比液滴中的水遷移以及液滴組分的發(fā)光過程，是一種可靠快捷的解決方案。通過用液滴半徑與相對濕度之間的特征時間比來描述依賴于相對濕度的水份在液滴內(nèi)的傳質(zhì)差異。研究發(fā)現(xiàn)，對于OIR大于1:1的蔗糖/(NH4)2SO4液滴，在低RH (<30%)環(huán)境下的特征時間比值比高RH(>60%)環(huán)境下的比值大兩個數(shù)量級。高速攝影與真空傅里葉紅外光譜儀聯(lián)用獲得的結(jié)果表明在OIR高于1：1時，沒有結(jié)晶過程發(fā)生；在OIR低于1：1時，則存在一定的規(guī)律性。
液晶與軟物質(zhì)物理
在液晶與軟物質(zhì)物理研究中，光鑷技術(shù)是一種理想的非接觸精準(zhǔn)微觀操控技術(shù)。它為軟物質(zhì)研究提供了以前所不能想象的各種可能性與便利。例如，用來研究分散在向列液晶中的，具有正常表面邊界條件的，偶極和四級膠體顆粒的二元二維系統(tǒng)的定向自組裝。使用激光鑷，研究者組裝了多種穩(wěn)定的二維膠體晶體結(jié)構(gòu)。在所有分析的結(jié)構(gòu)中，那些顆粒它們的表面處理和小室條件是相同的，這使得研究者可以在大量粒子存在的情況下能夠系統(tǒng)地跟蹤膠體組裝結(jié)構(gòu)的演變。最終，提出了一種在液晶介質(zhì)中分子自組裝和膠體微球組織的相似性，延伸了在不同復(fù)雜性程度上設(shè)計膠體晶體結(jié)構(gòu)的策略。
二維懸浮液的玻璃化轉(zhuǎn)變
維數(shù)對平衡系統(tǒng)的熱波動和臨界動力學(xué)有很大的影響。這些影響持續(xù)存在于非晶體系中，使其經(jīng)歷非平衡玻璃化轉(zhuǎn)變。利用光鑷研究不同圓約束條件下球形和橢球形顆粒的準(zhǔn)二維懸浮液的玻璃化轉(zhuǎn)變是一個很好的方案。有研究者利用此技術(shù)證明了長波長漲落的強度隨系統(tǒng)尺寸的增加呈對數(shù)增長，并顯示了梅敏-瓦格納漲落的特征。此外，利用約束作為工具，他們還測量了二維過冷液體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，并提取了一個不斷增長的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度，探討了梅敏-瓦格納漲落對二維橢球體懸浮液平動和定向弛豫的影響，從而對各向異性粒子的兩步玻璃化轉(zhuǎn)變和定向玻璃相有了新的解釋。這項研究揭示了二維過冷液體中長波長波動的重要性，并對量綱在玻璃化轉(zhuǎn)變中的作用提供了新的見解。
微氣泡
氣體微泡具有浮力，且其折射率低于懸浮介質(zhì)，因此，3D捕獲微氣泡面臨更大的挑戰(zhàn)。浮力會使微氣泡上升，而光學(xué)梯度力則將他們從光阱中心彈開。目前在二維方向上捕獲微氣泡一般通過兩種模式實現(xiàn)，一是中空的Laguerre-Gaussian (LG)光束，二是環(huán)繞氣泡高速掃描的Gaussian聚焦光束。前者將氣泡在二維尺度上局限在光斑中心的暗區(qū)，后前其實是對前者的模擬。然而這兩種方式都不能實現(xiàn)真正的3D捕獲。
3D捕獲微氣泡的解決方案是使用相對的兩束Laguerre-Gaussian (LG)光束，或者相對的兩束高速掃描Gaussian聚焦光束。對這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)力理論分析表明，在各個方向都有足夠的光梯度力對氣泡提供恢復(fù)力，因此它是一個真正的三維光阱。這樣的系統(tǒng)可以用來表征單個微泡。光學(xué)捕獲微泡的進一步應(yīng)用包括對氣泡周圍氣體的拉曼光譜分析，測量微泡殼厚度，并在超聲處理之前將氣泡定位在細胞附近。細胞隨后可能被微泡的振蕩和隨后的崩潰所破壞。
驅(qū)動納米器件
光鑷因其非接觸的優(yōu)秀能力成為半固態(tài)微納米器件的有力工具。而且，光鑷能夠應(yīng)用和檢測極小的力和力矩，從而具備驅(qū)動納米機器的潛力。驅(qū)動納米器件的方法有一種是模擬熱機的工作原理。硅微腔內(nèi)蒸汽泡的成核已被用于實現(xiàn)幾個工作容積僅為0.6 mm3的微型熱機。此外，一種微粒子被用作光鑷的活塞，實現(xiàn)了一種由周期性產(chǎn)生的空化氣泡提供動力的微型蒸汽機。斯特靈和卡諾循環(huán)的微觀版本已經(jīng)實現(xiàn)，光學(xué)捕獲粒子被用來來研究它們的隨機熱力學(xué)性質(zhì)。最近，有研究者還提出了一種由臨界溶液的密度波動提供動力的微發(fā)動機，其中，當(dāng)光被困在臨界混合物中時，一個微米大小的粒子圍繞光束旋轉(zhuǎn)。該發(fā)動機的工作可根據(jù)光阱功率、環(huán)境溫度和混合物的臨界狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。。
光鑷驅(qū)動微機器人操控絲狀細胞
在納米尺度，半導(dǎo)體，金屬，和混合的膠體粒子可以被光鑷捕獲和操縱，這為納米器件和生物分子的組裝、表征和光學(xué)控制開辟了新的令人興奮的可能性。解決納米設(shè)備或微型發(fā)動機的動力操作和控制需求的一種方法是，利用攜帶軌道和自旋角動量的全息光鑷或類似的技術(shù)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光束。特別是，通過將SAM和OAM轉(zhuǎn)移到micropar，使微羅盤儀和微泵成為現(xiàn)實。光學(xué)細胞操作在基于細胞的檢測中變得越來越有價值。有人研究使用由全息光鑷自動驅(qū)動的多個協(xié)作微型機器人對絲狀細胞的平移和旋轉(zhuǎn)操作，可以有效地避免激光束直接照射對細胞的光損傷。這種方法將使生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用更加富有成效，它們需要精確的細胞操作和較少的光損傷。
光學(xué)綁定
光學(xué)結(jié)合描述了由于多次光學(xué)散射而產(chǎn)生的光學(xué)場中大量膠體粒子的自發(fā)組織。最早由Burns等觀察到，他們通過顯示在橫向方向上存在粒子分離的離散值，并在其中形成穩(wěn)定的結(jié)合對，從而在線狀焦點上的一對粒子之間建立了一種光學(xué)結(jié)合相互作用。在這項工作之后，科學(xué)家們觀察了大量的粒子，這些粒子在許多激光束相交的橫向平面上形成的干涉圖樣中“結(jié)晶”
光學(xué)結(jié)合現(xiàn)象并不局限于介電粒子，銀和金的結(jié)合和金的結(jié)合被觀察到，并通過等離子體增強了這種結(jié)合力。它也不局限于球形粒子:棒狀粒子(碳納米管束)的結(jié)合也被制成了。在這種情況下，與球形粒子類似，預(yù)計會出現(xiàn)多種結(jié)合結(jié)構(gòu)。在這樣的實驗中，光學(xué)結(jié)合結(jié)構(gòu)中粒子的布朗運動的視頻跟蹤為評估光學(xué)力、結(jié)構(gòu)形式和動力學(xué)提供了一種強大的技術(shù)。
光力打印
光學(xué)結(jié)合現(xiàn)象并不局限于介電粒子，銀和金的結(jié)合和金的結(jié)合被觀察到，并通過等離子體增強了這種結(jié)合力。它也不局限于球形粒子，棒狀粒子(碳納米管束)的結(jié)合也被制成了。在這種情況下，與球形粒子類似，預(yù)計會出現(xiàn)多種結(jié)合結(jié)構(gòu)。在這樣的實驗中，光學(xué)結(jié)合結(jié)構(gòu)中粒子的布朗運動的視頻跟蹤為評估光學(xué)力、結(jié)構(gòu)形式和動力學(xué)提供了一種強大的技術(shù)。
表面增強拉曼散射
研究已經(jīng)證明通過在液體環(huán)境中金納米棒(AuNRs)的光學(xué)操控，可以在玻璃襯底上生成表面增強拉曼散射（SERS）活性聚合體。事實上，由于它們非常大的消光截面，這些AuNRs不能被可見光捕獲。然而，它們可以被推到樣品室的玻璃內(nèi)表面上，在那里它們會撞擊門并形成熱點，在這些熱點上稀釋的生物分子的拉曼光譜可以被強烈增強。該方法將光力打印的巨大優(yōu)勢與直接在液體環(huán)境中進行分子光譜檢測的能力相結(jié)合，是生物靈感研究的理想條件。已經(jīng)研究了許多生物分子。首次測量了牛血清白蛋白(BSA)分子，其在水中的拉曼檢測限(LOD)已從10?3 M降至5×10?8 M。另一種蛋白質(zhì)，血紅蛋白的濃度低至1 pM，遠低于約100 nM的SERS LOD。對苯丙氨酸等氨基酸、溶菌酶、過氧化氫酶等酶的研究結(jié)果也有報道。這種分子檢測技術(shù)也可以通過使用捕獲目標(biāo)生物分子的適配體功能化aunr來實現(xiàn)蛋白質(zhì)選擇性檢測。ochratoxin A是一種腎病型真菌毒素，它可能會對代表潛在公共衛(wèi)生風(fēng)險的食品和葡萄酒產(chǎn)生污染，其概念驗證結(jié)果已經(jīng)獲得。通過這種方法,毒素已經(jīng)檢測到在液體環(huán)境中濃度低至1μm。
臨界卡西米爾力
臨界卡西米爾力可以在納米科學(xué)和納米技術(shù)中的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，因為它們作為溫度的函數(shù)，具有皮牛強度、納米作用范圍、精細的可調(diào)諧性等特點，以及對所涉及物體表面性質(zhì)的精細依存關(guān)系。 這項工作中，我們通過脈沖式光鑷，研究了臨界Casimir力對分散在近臨界二元液體溶劑中的一對膠體粒子的自由動力學(xué)的影響。特別重要的是，我們測量了兩個膠體之間距離的時間演化，以確定它們的相對擴散和漂移速度。 此外，我們還展示了臨界Casimir力如何通過研究所謂的首次通過時間（即粒子第一次達到某一分離所需的時間）的分布的溫度依賴性來改變這種雙膠體系統(tǒng)的動態(tài)特性。 這些數(shù)據(jù)與Monte Carlo模擬和Langevin動力學(xué)的理論結(jié)果吻合較好。
隨機熱力學(xué)
光鑷可以作為一個非常強大的工具來揭示和表征微觀和納米系統(tǒng)的統(tǒng)計特性。 這個領(lǐng)域中布朗噪聲和熱波動通過引入隨機性起著至關(guān)重要的作用。 特別是，光學(xué)捕獲粒子的動力學(xué)是由確定性光學(xué)力場與布朗運動之間的相互作用引起的，這引入了一個定義良好的噪聲背景。 因此，光學(xué)捕獲粒子可以作為探針來研究統(tǒng)計物理現(xiàn)象，其動力學(xué)是由隨機和確定性的力量驅(qū)動的。在過去的二十年里，光鑷一直在納米熱動力學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮巨大的作用，研究納米系統(tǒng)的靜態(tài)特性以預(yù)測納米物體的性能和性能。 研究結(jié)果已經(jīng)證明，熱波動的存在允許在短時間尺度上違反小系統(tǒng)的熱力學(xué)第二定律，盡管第二定律在普遍條件下仍然有效。
活性物質(zhì)
近年來，光鑷已被證明對活性物質(zhì)體系的表征和光力與熱泳動相互作用的研究具有重要意義。主動物質(zhì)系統(tǒng)是由具有自推進能力的自然和人工物體構(gòu)成的系統(tǒng)。由于它們將能量轉(zhuǎn)化為推進力的能力，這些系統(tǒng)表現(xiàn)出群集行為以及由于遠離平衡的相互作用而出現(xiàn)的其他集體特性。這種自我推進的行為是由于隨機波動(負(fù)責(zé)布朗運動)和主動游動之間的相互作用，驅(qū)使它們進入一個遠離平衡的狀態(tài)。雖然自推進是微機械的一個眾所周知的特征，為了尋找營養(yǎng)物質(zhì)或為了逃離有毒的環(huán)境，仍有許多工作致力于實現(xiàn)人工自推進的納米和微粒子。自推進粒子的兩個典型例子是人造Janus粒子和生物細菌，如大腸桿菌，它們都可以用光鑷很好地捕獲。此外，還可以使用光鑷來同步活動粒子的集體行為。特別是，該特性已被用于捕獲活躍的布朗粒子來實現(xiàn)自組裝流體泵。光鑷也可以用來擾動活性物質(zhì)的環(huán)境，改變它們的集體行為。
微流體力學(xué)研究
微腔是許多微流系統(tǒng)的中心特征，從血管生成過程中的毛細血管到各種微流控裝置。最近，微腔中的流動和輸運現(xiàn)象一直是許多研究的主題，但在低雷諾數(shù)下流動特性的物理圖像，這是許多生物應(yīng)用中的相關(guān)制度，還沒有得到充分的揭示。因此，我們通過實驗和建模，系統(tǒng)地研究了長微腔中的流動，發(fā)現(xiàn)流動特性取決于空腔的深度/寬度比。值得注意的是，如果該腔縱橫比高于約0.51，則即使在雷諾數(shù)消失時，腔中也會出現(xiàn)逆流渦。第一渦從空腔入口的距離隨著縱橫比的增加而減小，這是一個逆冪律。在低于閾值寬比的無渦區(qū)，流速指數(shù)衰減遠離空腔入口，衰減長度隨空腔寬度而縮放，也取決于其截面的縱橫比。我們的數(shù)值模擬結(jié)果得到了理論分析的支持，并與用光鑷子進行光學(xué)測速獲得的實驗數(shù)據(jù)吻合得很好。
持續(xù)更新中…… ……
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