摘要：光磁效应是一种通常情况下十分微弱的自然现象，传统光器件难以直接探测与调控光磁效应，因而未能充分有效的利用光子的磁场资源。该研究设计、制作了具有特殊微纳结构的光力探针，利用结构光场激发该探针的光磁响应并同时抑制其光电响应，从而引发近场的纯磁光力，并最终获取纳米尺度下的光磁近场分布。该研究对未来光频磁器件的开发与应用具有重要意义。

天然材料的光磁效应通常非常微弱，不仅因为光子磁场的振动速度超过了物质对它的响应速度，还因为物质对光子电场的响应通常十分显著，掩盖了本就十分微弱的光磁效应。因此，虽然光是一种同时包含电场与磁场的电磁波，传统光学器件通常仅能直接利用光电场与物质的相互作用，而未能充分利用光的磁场资源。

另一方面，如果开发一种能有效利用光磁效应的方法，该方法将会极大的推动现有磁功能器件的发展。由于光子具有很高的振动频率与很低的波长，光磁器件将会有更高的响应速度、带宽与分辨率。例如，现在的磁储存器件通常工作在很低的频率，以至于其读写速度难以逾越兆赫兹量级；然而基于光磁效应的未来光磁储存器可以在接近光频的速度进行读写，读写速度提高了好几个数量级！想象一下未来的U盘，只需要不到1秒钟的时间就可以读写1TB的数据。此外，光磁效应也有助于实现更高分辨率（微纳量级）的磁成像，有助于更准确的医疗诊断。

因此，开发高效的光磁器件是一项重要且富有挑战性的工作。其中的第一步是开发一种能在纳米尺度直接探测光磁场的方法。这里，“直接”探测非常关键。虽然光的近磁场分布可以由近电场分布推导而得，然而这个推导通常是十分困难甚至是不可能的。因为从电场到磁场的推导需要首先获取完整的区域电场信息，然后再通过麦克斯韦方程的微分关系计算，而该计算需要十分庞大的运算资源，难以满足实际应用对探测速度与精度的需求。

围绕“在纳米尺度直接探测光磁场”的目标，华中科技大学曾进炜副教授与美国加州大学尔湾分校的Filippo Capolino教授，H. Kumar Wickramasinghe教授，EricPotma教授合作，提出了利用结构光场激发特殊微纳结构探针的磁谐振并同时抑制其电响应，探测纯磁光力，进而直接获取探针区域近磁场分布的方法。该方法利用结构光场与纳米结构相互作用的思路，突破了天然材料光磁效应微弱、以及普通光源激发下光磁响应被光电响应掩盖的两大挑战，在光诱导力显微镜平台上实现了高分辨率、高信噪比的光力表征，并最终获取了精密、准确的近光磁场信息。相关研究成果发表在Science Advances期刊，论文标题为“Direct detection of photoinduced magnetic force at the nanoscale reveals magnetic nearfield of structured light”。

该研究的主要思路如图1所示，使用具有切向偏振分布的结构光场作为激发光源：基于偏振奇点，该光源的光轴附近的电场被抑制，几乎为零；又基于电磁感应原理，光轴附近的具有极大值的纵向磁场。因此，切向偏振光的光轴附近仅具备纵向磁场，不具有电场，是一种理想的磁光源。同时，该研究设计、加工了一种纳米硅截锥结构作为探针。该探针支持特定波长的Mie型磁偶极子谐振，在切向偏振光的磁光源照明下可激发在纵向的纯磁偶极子力。注意到在旋转对称光源与探针的假定下，磁偶极子力与入射场之间有相对简洁的力场关系。在光诱导力显微镜平台上，结合切向偏振光照明与纳米硅截锥结构探针，即可实现纯磁偶极子力的探测，最终通过力-场关系，获取入射光场在探针表面的近磁场分布。 作为实验证明，该研究使用670nm半导体激光器光源，并设计、加工了针对该波长的磁谐振探针、弱磁谐振探针、无谐振探针扫描入射切向偏振光，可分别探测入射光光轴处的纯磁光力、混合电-磁光力与纯电光力，获取的力图分别呈实心型、混合实心-空心型与空心型，与理论仿真一致。

图1.光诱导力显微镜以及结构光场激发磁偶极子的示意图。

图2. 670nm波长切向偏振入射光下磁探针（on-state）与电探针（off-state）扫描入射光力图的仿真结果。

图3. 670nm波长切向偏振入射光下磁探针（a），弱磁探针（b），电探针（c）与尖锐探针（无光力，d）扫描入射光力图的实验结果。

该研究使用光诱导力显微镜作为测量光力的基本平台。光诱导力显微镜是一种基于原子力显微镜与倒置式光学显微镜结合的精密光力表征仪器，由加州大学尔湾分校的Wickramasinghe教授团队发明，目前由美国公司Molecular Vista商用化并生产。光诱导力显微镜利用光力探针，可以在近场精密探测光与物质相互作用产生的各种光力。由于探针的亚波长尺度，光力仅对具有强梯度的近场敏感，而对来自远场的背景噪声光子不敏感，因此可以获得极高的分辨率与信噪比。相对于基于光子能力测量的近场光学表征仪器（例如近场扫描光学显微镜等），光力测量有着鲜明的特色：一方面，力作为一种矢量，相对于作为标量的能量携带了更多信息；另一方面，力也能实现微粒操控、选择与分离等操作。因此，光力探测作为一种分析光与物质相互作用的新方法，有着独特的作用。

本工作对纳米尺度下光磁效应的精密探测是光磁效应相关研究方向重要的一小步。在未来，可以预见，设计更小型、高效的光磁探针，配合具有光磁效应的纳米结构作为样品，结合特殊的照明系统，有望实现光磁储存的进一步验证性实验，推动未来光磁器件的发展。

本文的第一作者兼共同通信作者是华中科技大学武汉光电国家研究中心的曾进炜副教授，其他共同通信作者包括加州大学尔湾分校的Filippo Capolino教授，H.KumarWickramasinghe教授和Eric Potma教授。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add0233

作者简介：

曾进炜 博士 副教授 博士生导师

2007年毕业于华中科技大学光信息工程系获学士学位，2014年9月博士毕业于美国纽约州立大学布法罗分校，之后分别于2015-2016年在美国密苏里科技大学，2016-2018年在美国加州大学尔湾分校任博士后研究员。2019年入职于华中科技大学武汉光电国家研究中心任副教授。获湖北省百人计划。长期致力于结构光场与纳米结构相互作用的基础理论与应用的研究，尤其专注于光诱导力显微镜在超分辨电磁表征方向的相关研究。相关成果发表SCI论文20余篇，其中代表作以第一作者发表在Science Advances, ACS Nano, Nano Letters, ACS Photonics等本领域国际知名期刊。另有发表第一作者邀请专著1章以及专利1项，并受邀在领域内国际学术会议做报告十余次。