Nano Letters：二聚物纳米粒子结合电子的自旋和负转矩

【引言】

现如今，人类可以运用激光束进行光学捕获研究，并到达微米尺度级别。这开启了光学物理，分子生物学，微生物学，材料科学和平版印刷术的新篇章。光镊同样能够实现在微米级和纳米级颗粒间动力学上的精密测量从而在统计上解决问题。然而，迄今为止，单粒子的动力学研究还未有巨大进展。

【成果简介】  

芝加哥大学Norbert F. Scherer（通讯作者）等人进行了二聚物纳米粒子结合电子的自旋和负转矩在圆偏聚Gaussian光线中捕获大量Ag纳米粒子中心的相关实验和模拟研究。在14mW对于入射功率平均值约为4 kHz，得出EBDs(electrodynamically bound dimers)的角速度与入射光能成线性增长关系。同时使用耦合偶极/有效极化模型，得到了散射场的迟滞和电子动能相互作用可以产生“负转矩”，从而引起EBD对于圆形偏振在不同相对方向的自旋，进而提出并预测了负转矩存在的分析模型。本文清晰的描述了根据运用负转矩的electrodynamics-Langevin动力学模拟产生的这个有趣的反手自旋现象。通过改变粒子分离从而改变迟滞效应的产生，对EBD实验数据进行分析证明了负转矩的存在。该成果以“Rotation and Negative Torque in Electrodynamically Bound Nanoparticle Dimers”为题发表在Nano Letters上。

【图文导读】

图一、在圆形极化高斯光束中EBD的形成与旋转

(a) 从ED-LD模拟中获得的两个150 nm直径的Ag纳米粒子轨迹，由右旋聚焦的CP光束照亮。描述近场的EBD的形成和伴随的旋转（实时命令自上而下）模拟中获得的轨迹。背景梯度对事件捕获光束（白色是最高强度）显示了其强度分布。

(b) 一系列实验暗场图像（实时命令自上而下）由两个组成的光学二聚体组成。直径150 nm的Ag纳米粒子，顺时针方向旋转（左列）和逆时针方向（右列）分别是右旋和左旋光。箭头指定EBD的旋转方向。

(c,d)实验及模拟了右旋（蓝色）和左旋（红色）CP光实时照射时EBD轴的旋转轨迹。

图二、入射光线能量与EBD和角动量ω的关系

(a) 在实验中捕捉光束焦点的强度分布(左)和模拟(右)以及实验和模拟光束的标准化强度。

(b) 通过实验测量的入射光束功率的光学功率的函数（蓝色方块，左y轴）和通过数值模拟（红色圆圈，右轴）的角速度。

在实验中与表面的水动力摩擦在实验中进行而不是模拟进行，从而造成的差异可能是由于颗粒大小和形状的不同。

图三、利用偶极近似法对EBD的转矩进行分析

(a) EBD示意图和坐标。

(b) 在EBD上的力矩是两个150 nm直径的Ag纳米颗粒中心的长度。

(c) 在EBD上的力矩是粒子间分离的函数，是不同的粒子半径（从25纳米到85纳米）。

(d) 一个由Ag纳米粒子组成的EBD的扭矩，对45纳米的地-表面分离作为入射源波长的函数有一个平面波源。

图四、在150纳米大小的纳米颗粒上的负转矩

(a) EBD的取向作为粒子之间从对不同最小分离的模拟结果中计算出来时间的函数，入射光束是右旋的CP聚焦高斯。

(b) 从EDLD中获得的轨迹计算角速度（正方形，左y轴），对EBD的不同最小分色的模拟。

(c) 平均力的势(pmf)（概率的负自然对数密度），作为面板(f)实验数据的粒子间分离的函数。

(d) 一个显示EBD方向的实验轨迹;粒子从近场区域到5 ms的光学结合分离。

(e) 对于在面板(d)中，通过实验测量瞬时!显示的轨迹。

(f) 实验确定了分离显示在EBD上的一个负转矩特征平均角速度（大约400 nm）作为粒子的函数，其结果与模拟结果一致。

【小结】

本文叙述了新颖的纳米颗粒旋转动力学利用圆偏转光学物质研究，开辟了一条控制东方的动力学通过耦合到粒子间的分离的新道路。

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

本文由材料人编辑部付钰编辑，丁菲菲审核，点我加入 材料人编辑部。 

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