90后MIT博后学成归国加入之江实验室，此前提出新
悬停？凭什么？凭借反冲力。
（来源：Optica）
其原理和借助水流，能在水上悬浮的小球是一个道理。
图 | 水流将球悬浮在空中（来源：imgur）
这是 MIT 博士后、之江实验室光子集成与互连课题组负责人虞绍良的近期成果：一种新型的光镊芯片。
近日，相关论文以《基于微型自由曲面的片上光镊》（On-chip optical tweezers based on free-form optics）为题，发表在 Optica 上。
图 | 相关论文（来源：Optica）
新型芯片上光镊方案
虞绍良表示，该论文主要提出一种新型的芯片上光镊方案。顾名思义，光镊就如同镊子，可用于抓取物体。
图 | 虞绍良（来源：虞绍良）
在日常生活中，遇到尺寸比较大的物体，用机械方法即可实现抓取。但对于微纳尺度物体，比如直径只有头发百分之一甚至更小的物体，则无法使用机械方法。
这时就需要另辟蹊径，1970 年，美国物理学家阿瑟 · 阿什金（Arthur Ashkin）提出用光来抓取微小物体的方法。
图 | 美国物理学家阿瑟 · 阿什金（Arthur Ashkin）（来源：资料图）
借助水流，乒乓球可以悬浮起来，其原理在于反冲力。同样的，当一束光照射在物体上，也能产生反冲力。不同于气流和水流，通过精准控制光束方向、以及强度分布，即可在微纳尺度上精准控制光力的大小和方向，借此来操控微小物体，这一过程就叫光镊。
从光镊首次提出至今已有 50 年，尽管该领域已经涌现出不少成果。但是，光镊此前要依赖显微镜系统来产生光力，设备比较庞大，操作也不方便。因此，科学家萌生了在芯片上做光镊的想法。
但在当前的片上光镊方案中，还只能将微小物体吸附在芯片表面，并没有实现真正的悬浮。针对这一问题，虞绍良提出一款新型片上光镊方案，不仅能在芯片上操控光力，将一个微小物体悬浮在芯片上。
一场 " 闲聊 "，促进 MIT 和哈佛的强强联合
在麻省理工学院（MIT）做博后期间，虞绍良的主要研究课题开发新型的光芯片接口，来解决光在不同芯片之间的高效连接问题，以降低数据中心的功率消耗。
他尝试了很多方法，最终提出这样一种兼具连接损耗低、工作波长非常宽的方案。最重要的是基于该方案，很轻易地就能在芯片上对光进行操控，比如控制光束的传播方向和强度分布等。
（来源：Optica）
这意味着，这是一种比较通用的芯片上光场操控方法。这也让他们很快意识，可用此来解决芯片上光镊不能实现真正悬浮的难题。
随后，虞绍良做了大量的仿真计算工作，发现在光镊领域该方案确实具备明显优势。故此从 2018 年起，在研究光互连芯片接口方法的同时，他开展了片上光镊的研究工作。
在研究过程中，一次偶然的交流，让他发现哈佛大学约翰 · 保尔森工程与应用科学学院费德里科 · 卡帕索（Federico Capasso）教授课题组也在研究片上光镊。
相互沟通之后，双方一拍即合，随机开始合作。期间，虞绍良等人负责芯片设计和制作，哈佛团队的卢锦胜负责芯片测试。
经历将近两年的反复实验和测试，终于第一次观察预期实验结果，即把一个直径只有 4 微米的小球悬停在光学芯片上方，解决了此前光镊芯片只能将小球吸附在芯片表面的难题，实现了真正的片上三维捕获，对光镊领域的研究，有着重要的意义。此外，通过这种方式，他们还对微纳尺度下的光场、力学特性等进行了一系列分析。
图 | 片上光镊示意图（来源：Optica）
虞绍良的研究表明，得益于多个独特性能，微型自由曲面这个结构非常适合片上光镊。
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