微纤维上微小物体平面旋转的光诱导( 二 )
图1 硅微纤维上金片的光诱导平面内旋转 。
我们在这里添加了一种新的运动模式：黄金板块围绕其厚度方向的固定轴旋转 ， 即所谓的平面内旋转 。 图1B绘制了边长为30μm、厚度为60 nm的旋转金方板的连续光学图像 。 激光源的脉冲重复率和平均功率分别为230 Hz和0.23 mW 。 当特定数量的激光脉冲被传送到超细纤维中时 ， 可以观察到板和超细纤维之间相对位置的顺序变化 。 具体而言 ， 板围绕板和超细纤维之间接触线的上端点（用蓝点标记）逆时针旋转 ， 其像素坐标在记录的光学图像中几乎保持不变 。 此过程将继续 ， 直到接触线的较低点接近方形板的右下顶点 。 最后 ， 尽管激光脉冲连续传输 ， 板仍会停止旋转 。
如图2B的上面板所示 ， 上边缘比率aup/? 将恒定值保持在0.5左右 ， 表明在旋转过程中接触线的上点未旋转 ， 而低边缘比较低/? 逐渐从0.7增加到约0.85的稳定值 。 根据边缘比 ， 我们推断出大约5度的旋转角（参见图2B的下面板） ， 这表明每个激光脉冲的平均旋转角仅为10?3度左右 。 请注意 ， 测量的边缘比率和旋转角度取决于样本 。
图2 平面内旋转的特征 。
驱动需要使用脉冲激光源 。 激光脉冲可以在金片中诱导脉冲光吸收 ， 从而激发脉冲弹性波 ， 使金片克服摩擦力运动 。 然而 ， 激光脉冲的特定中心波长和带宽不太重要 。 事实上 ， 我们还使用1064 nm的窄带纳秒脉冲激光进行了实验 ， 获得了与使用宽带超连续谱激光类似的观察结果 。
平面内旋转的基本运动步骤由单个激光脉冲驱动 。 例如 ， 使用图2B中绘制的旋转角度 ， 我们估计接触线的下端在单个脉冲中滑动约1 nm 。 该步进运动距离（以纳米级为单位）与先前的结果一致 。 此外 ， 通过增加入射激光脉冲的功率 ， 平面内旋转速度也会增加 。
3平面内旋转规律
为了推断平面内旋转的规律性模式 ， 我们进行了一组实验 ， 涉及不同基底形状的金板 。 如图3所示 ， 在43个显示平面内旋转的测试中 ， 大多数测试结果显示了如图1所示的平面内旋转（≈ 84%） 。 发现金属板围绕接触线的两个端点之一旋转（在图3的右侧面板中用蓝色圆点标记） ， 其特定位置与激光入射方向无关 。 此外 ， 伴随着主要的平面内旋转 ， 这一类别的金片也显示出沿微纤维方位方向的微小移动 。
图3涉及43项测试的平面内旋转模式统计摘要 。 蓝色圆点表示旋转中心 。 平面内旋转（左面板）根据旋转方向和板的形状分为六个子类 。 通过将特定运动类别的数量除以总测试的数量来获得标记的百分比 。
其他少数试验(≈16%)呈现出更为复杂的混合运动模式 ， 即金板除了在平面内旋转外 ， 还围绕超细纤维进行螺旋运动 。 螺旋运动意味着微孔板沿方位围绕超细纤维旋转 ， 同时平行于超细纤维轴平移(见图4中的示意图) 。 螺旋运动的潜在机制与热激发弹性波有关 。 图4绘制了记录这种混合运动的连续光学图像 。 随着平面内旋转 ， 平板相对于微纤维的位置不断改变 。 经过2k激光脉冲的传输 ， 最终达到一个稳定的位置 ， 其中一个板顶点接近微光纤 。 然后 ， 平面内旋转终止 ， 而稳定的螺旋运动保持不变 。
图4二氧化硅超细纤维上金片的混合面内旋转和螺旋运动 。 （左）观察到的运动的草图 。 金盘在微纤维的方位和轴向上移动 ， 导致螺旋运动 。 同时 ， 由于平面内旋转 ， 金盘改变了其相对于超细纤维的相对位置 。 （右）记录这种混合运动的连续光学图像 。
尽管个别案例之间存在具体差异 ， 但所有这些测试都显示出相同的特征 。 平面内旋转始终朝着减小金盘两翼之间面积差的方向 ， 即使两翼更加对称 。 这一观察结果表明 ， 板翅的对称性破缺与面内旋转直接相关 ， 这应通过下面的数值研究进行检验 。
4理论分析
鉴于上述已证实的面内旋转观察 ， 我们将在下文中研究其潜在机制 。 特别是 ， 我们打算传达两个以前没有报道过的关键信息 。 首先 ， 是黄金板中的光吸收激发的弹性波驱动了平面内旋转 。 其次 ， 板中光吸收沿板与超细纤维接触线的梯度分布以及板两翼的尺寸不对称是实现面内旋转的两个重要因素 。
在这种基于微纤维的驱动系统中 ， 可以利用黄金板中光吸收引起的弹性波来克服μN级摩擦力 ， 并使金属板能够移动 。 具体而言 ， 通过在被微纤维分割的板的两个翼中引入不对称性 ， 弹性波驱动板围绕微纤维向短翼侧方位移动 。 此外 ， 如果板呈强弯曲 ， 它可以沿超细纤维的轴向向接触侧移动 。 方位和轴向运动的组合导致螺旋运动 ， 如图4所示 。 基于这一认识 ， 可以合理地设想 ， 观测到的面内旋转的物理机制也与激光诱导的弹性波有关 ， 从而为我们的进一步探索奠定了明确的方向 。
推荐阅读
- 上海一男子打车丢失140万手表，调取监控懵了：上下不是同一辆车
- 她抢救无效去世，才22岁！“离婚路上，被丈夫驾车碾压”
- 有史以来最大的太空气球飞行任务，一台望远镜将被部署在南极上空
- 沈阳警方提示：微信中如果出现这个界面，请马上停止转账
- 将亲弟“头盖骨”当垃圾丢掉，他辩称“以为仿制品”，床上却躺无头男尸
- 被爱因斯坦称为幽灵！史上首张量子纠缠照片问世
- 世界首例：人类被猫传染上新冠病毒
- 科学家沸腾了！人类在火星上发现类似古代大海啸的遗址
- NASA：土卫六上可能存在生命！而且是氮基生命！
- 霍金6个可怕预言究竟是什么？学者：3个正在上演，还有三个即将到来，人类会很危险！