“通过使用超薄的超透镜，我们将聚焦透镜的直径从25毫米减小到0.4毫米，”来自普渡大学的研究小组负责人李同仓说。“基于芯片的设计可用于创建一个集成和灵活的光学系统，用于通过捕获距离表面不到1微米的物体来研究近表面力。它也可能用于在真空中捕获冷原子来研究量子过程。”

在视神经节普渡大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员报告了在真空中用超薄超构透镜首次实现片上光学悬浮。在真空中完成这一壮举有助于提高系统的灵敏度。

“光学悬浮粒子可以用来制造加速度计和陀螺仪，它们有可能用于导航，”李说。“科学家们还在使用光学悬浮粒子来寻找暗物质和暗能量，并在短距离研究引力，这将加深我们对自然的理解。”

走向便携式陷阱

这项新研究源于之前的工作，在之前的工作中，研究人员利用真空中的光学悬浮创造了最快的人造转子和有史以来最灵敏的扭矩检测器。

“下一步，我们希望通过最小化系统使其便携，使光学悬浮技术更加实用，”李说。“我们首先通过使用超透镜减小聚焦透镜的尺寸，超透镜是一种使用纳米结构聚焦光线的平面透镜。”

在这项新研究中，研究人员设计了一个由数千个硅纳米柱组成的超构透镜。超透镜的直径比他们以前使用的传统物镜的直径小50倍。

“其他研究小组最近已经证明了液体中基于金属的光学捕获，”这项工作的第一作者沈坤宏说。“虽然在真空中进行光学捕获有助于减少液体或空气的噪音，但也很难做到。”

用平面透镜悬浮

为了测试他们的新光学设计，研究人员将一束强烈的激光束引导到超透镜上，以产生捕获力。然后，他们将稀释的纳米颗粒溶液喷洒到捕获区域。当一个纳米粒子被捕获时，它会出现一个亮点，可以用相机观察到。光子探测器实时测量纳米粒子的运动。

他们证明了超构透镜可以使纳米粒子悬浮在真空中的压力为2×104托尔——大约1/4,000,000大气压——不需要任何反馈稳定。他们还能够在两个独立的光学阱之间转移悬浮的纳米粒子。

“我们的超构透镜是一种纳米结构层，厚度仅为500纳米，数值孔径约为0.9。来自宾夕法尼亚州立大学的研究小组负责人倪兴杰说:“它的性能与传统的大透镜相似。”“超构透镜是完全真空兼容的。更有趣的是，我们可以灵活地设计它来执行其他功能，例如，从聚焦光中过滤掉低空间频率成分，我们已经证明这对纳米粒子的光学悬浮是有益的。”

研究人员现在正致力于通过提高超透镜的传输和聚焦效率来改进这种微型悬浮装置。他们还想使超透镜的直径更小，使光学悬浮在实际应用中更加实用。