光學與聲學中的輻射力和力矩：理論、應用與未來展望

核心概念

光波和聲波對物質產生物理作用力，包含推動和旋轉，這篇文章回顧了這些作用力的理論基礎和應用，並探討了未來發展方向。

摘要

光學與聲學中的輻射力和力矩

這篇論文深入探討了光波和聲波對物質產生的機械作用力，包含推動物體的輻射力和使物體旋轉的力矩。論文首先回顧了這些作用力的歷史發展，從十七世紀克卜勒對彗星尾巴的觀察，到十九世紀末、二十世紀初馬克士威電磁理論的建立，以及近年來雷射技術的突破和結構波場的應用，這些進展都促進了我們對光學和聲學作用力的理解。

論文接著詳細介紹了電磁場和聲場的動力學特性，包括能量密度、動量密度和自旋角動量密度。這些特性是理解波與物質相互作用的基礎。論文進一步闡述了計算輻射力和力矩的應力張量方法，並討論了不同散射情況下的近似方法，例如適用於小粒子的瑞利近似。

除了基本概念外，論文還探討了複雜情況下的輻射力和力矩，例如各向異性粒子、手性粒子、共振效應等。論文也回顧了光學和聲學作用力在特定情況下的應用，例如漸逝波、渦旋光束、光鑷、聲鑷、粒子分選等。

最後，論文展望了光學和聲學作用力在未來發展方向，例如開發新型光學和聲學操控技術、探索量子效應、以及應用於生物醫學、材料科學等領域。

論文的貢獻

這篇論文的主要貢獻在於：

• 提供了一個統一的框架來理解光學和聲學作用力，強調了它們的共同物理基礎。
• 回顧了輻射力和力矩的理論基礎和計算方法，並討論了不同散射情況下的近似方法。
• 探討了複雜情況下的輻射力和力矩，例如各向異性粒子、手性粒子、共振效應等。
• 回顧了光學和聲學作用力在特定情況下的應用，例如漸逝波、渦旋光束、光鑷、聲鑷、粒子分選等。
• 展望了光學和聲學作用力在未來發展方向，例如開發新型光學和聲學操控技術、探索量子效應、以及應用於生物醫學、材料科學等領域。

總結

這篇論文為光學和聲學作用力提供了一個全面而深入的概述，對於想要了解該領域的讀者來說是一個寶貴的資源。

統計資料

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Radiation forces and torques in optics and acoustics

by Ivan... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.23670.pdf

深入探究

如何利用光學和聲學作用力來操控更複雜的物體，例如生物分子或奈米機器人？

光學和聲學作用力為操控微觀物體提供了強大的工具，對於生物分子或奈米機器人等複雜物體，操控策略需要更加精細和多元：
光學操控：

形狀各向異性操控： 生物分子和奈米機器人通常具有非球形結構，利用偏振光或結構光場與形狀各向異性粒子的相互作用，可以實現對其姿態的精確控制，例如旋轉、排列和定向。
光鑷陣列操控： 通過構建多光束干涉形成的光鑷陣列，可以同時捕獲和操控多個生物分子或奈米機器人，實現複雜的微觀組裝和操作。
等離激元增強操控： 利用金屬納米結構的等離激元效應可以顯著增強光場強度和梯度，從而實現對更小尺寸生物分子或奈米機器人的操控，例如DNA、蛋白質等。
聲學操控：

聲表面波操控： 利用聲表面波可以產生強大的聲輻射力，實現對微流控芯片中生物分子或奈米機器人的精確操控，例如富集、分離和運輸。
聲學全息操控： 通過設計特定的聲場相位分布，可以產生複雜的三維聲場，實現對多個生物分子或奈米機器人的獨立操控，例如細胞分選、藥物遞送等。
聲空化操控： 利用超聲波在液體中產生的微米級氣泡（聲空化），可以實現對生物分子或奈米機器人的非接觸式操控，例如細胞融合、基因轉染等。
挑戰與展望：
操控複雜物體需要克服許多挑戰，例如提高操控精度和穩定性、減少光/聲損傷、以及實現實時反饋控制等。未來，結合光學和聲學操控技術，發展多模態操控平台，將為生物醫學、材料科學和奈米技術等領域帶來更廣闊的應用前景。

量子效應如何影響光學和聲學作用力，以及如何利用這些效應來開發新的應用？

當操控的物體尺寸縮小至納米量級，甚至單個原子或分子時，量子效應將顯著影響光學和聲學作用力，為操控技術帶來新的機遇和挑戰：
量子效應的影響：

Casimir 力： 在納米尺度下，由於量子真空漲落產生的 Casimir 力將變得不可忽視，它可以增強或減弱光學和聲學作用力，影響粒子的捕獲和操控。
量子摩擦： 當粒子在接近表面運動時，由於量子效應產生的摩擦力會影響粒子的運動狀態，需要考慮量子摩擦對光學和聲學操控精度的影響。
量子隧穿： 對於極小的粒子，量子隧穿效應可能導致粒子逃離光學或聲學勢阱，影響操控的穩定性。
利用量子效應開發新應用：

超高靈敏度傳感器： 利用量子效應增強的光學或聲學作用力可以開發超高靈敏度的傳感器，例如單分子探測、微弱力測量等。
量子信息處理： 通過光學或聲學作用力操控囚禁的原子或離子，可以構建量子比特，並實現量子邏輯門操作，推動量子信息處理技術的發展。
探索量子力學基本問題： 利用光學和聲學作用力可以精確操控微觀粒子，為探索量子力學基本問題，例如量子測量、量子退相干等提供新的實驗平台。
挑戰與展望：
在量子尺度下操控粒子需要克服許多技術難題，例如抑制環境噪聲、實現量子態的製備和測量等。未來，隨著量子操控技術的發展，將為基礎物理研究和量子技術應用開闢新的方向。

光學和聲學作用力在未來有哪些潛在的應用，例如在生物醫學、材料科學、信息技術等領域？

光學和聲學作用力作為非接觸、非侵入性的操控手段，在未來擁有巨大的應用潛力，以下列舉一些潛在的應用方向：
生物醫學：

細胞分選與操控： 利用光鑷或聲波操控技術可以實現對細胞的無損分選、捕獲和移動，應用於細胞生物學研究、疾病診斷和藥物篩選等。
靶向藥物遞送： 將藥物分子包裹在微納米載體中，通過光學或聲學作用力將其精確遞送至病灶部位，提高藥物療效，減少副作用。
微創手術： 利用光纖傳輸的激光束或聚焦超聲波可以實現對生物組織的精確切割和消融，應用於眼科手術、腫瘤治療等。
材料科學：

微納米材料組裝： 利用光鑷或聲波操控技術可以將微納米材料按照設計的結構進行組裝，構建具有新穎性能的材料和器件。
材料缺陷檢測： 利用光學或聲學作用力可以探測材料中的微小缺陷，例如裂紋、雜質等，提高材料的可靠性和安全性。
材料表面改性： 利用激光或等離子體技術可以對材料表面進行改性，例如提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。
信息技術：

光學計算和信息處理： 利用光學作用力操控微納米光學元件，可以構建光學邏輯門和光學存儲器，實現高速、低功耗的光學計算和信息處理。
超分辨成像： 利用光學作用力操控熒光分子，可以突破光學衍射極限，實現超分辨成像，應用於生物醫學成像、材料科學研究等。
量子通信和量子計算： 利用光學作用力操控囚禁的原子或離子，可以構建量子網絡節點，實現遠距離量子通信和量子計算。
挑戰與展望：
光學和聲學作用力技術的發展需要克服許多挑戰，例如提高操控效率、降低成本、以及開發更加智能化的操控系統等。未來，隨著技術的進步和應用領域的拓展，光學和聲學作用力將在各個領域發揮越來越重要的作用。