自从1902年Wood在研究金属光栅时发现异常的衍射现象，之后Fano通过金属界面的电磁波解薄膜行为解释了Wood发现的异常。再到Stern和Ferrel提出新的电子集体震荡模式，并命名为表面等离激元，在这之后Mcalist和Stern等人做了利用光来激发表面等离激元震荡的研究，后经过数十年的发展，加上微纳加工技术的发展，一个全新的基于表面等离激元的领域——表面等离激元光子学开始得到长足的发展。而基于这一领域的光驱动纳米马达是这一领域兴起的重要研究方向，其具有自我推进和小规模范围的精准定位能力，且光驱动也是极具前景的驱动方式。光驱动马达的本质是将光能转化成机械能，而这背后的机理是形成不对称的梯度场，进而形成推动纳米马达旋转所需的推动力和力矩。因此，对光驱动纳米马达的转动力矩进行研究，有助于进一步弄清光驱动马达的运动机理同时厘清背后的决定因素，这对于实验上的微纳加工以及制备具有一定的指导意义 。
二、课题关键问题及难点：
1.充分掌握等离激元光子学以及光驱动纳米马达的研究背景及进展，并且学习计算电磁学数值仿真方法。
2.设计研究万字型金属纳米结构的共振转动力矩，并根据前人的研究结果重复验证数值仿真和后续处理数据方法的正确性。
3.优化设计结构的形状-结构参数。从而分析所设计纳米共振结构的光驱动转动力矩现象背后的物理起源和相关决定因素。文献综述（或调研报告）：
- 选题背景和意义：
表面等离激元振荡是光致激发的金属表面自由电子集体振荡的行为，其突破传统光学衍射极限并对局域电磁场有极大的增强作用，为微纳光学器件的应用提供了可能。而表面等离激元光子学的发展历程最早可以追溯到1902年由Wood在研究金属光栅发现的Wood异常，后来Fano通过金属界面电磁波解释了这一现象。再之后Ritchie预言了金属表面一种新的电子集体振荡模式，并在两年后在实验上得到证实。1960年Stern和Ferrel将其命名为表面等离激元，由此开创了关于表面等离激元的研究。与此同时，随着微纳加工技术的不断发展，基于表面等离激元的新领域——表面等离激元光子学也应运而生。围绕表面等离激元的局域场增强效应和亚波长传导特性的研究是这一领域的核心。利用表面等离激元共振对电磁场的增强效应，可应用于表面增强拉曼散射，表面增强荧光以及表面增强红外光谱等。而利用其亚波长传导特性可用于设计亚波长光波导、集成微纳光学器件、超分辨成像等。另外，利用金属材料的特异光学设计，可以实现各种自然存在材料所不能产生的奇异微纳光学性能。
微纳马达是在外界各种能量（光、电、磁、热以及化学能等）的作用下具有运动性能（包括转动、翻转、平动、收缩、聚集）且尺寸为微米或者纳米级的微观器件。相对于传统的微纳器件，微纳马达具有可控运行的特性，使其在微纳加工、微纳器械等领域具有显著优势。而光驱动微纳马达是这一领域具有重要地位的一种类型，其具有优异的远程可控的独特性能而备受关注。微纳马达的研究起先是在2004年，第一个金-铂（Au-Pt）双金属纳米线马达的研制开启了人造微纳马达研究。这一直径370nm，长约2mu;m的纳米马达在过氧化氢溶液中沿纳米线轴向的方向运动速度达到了7mu;m/s。这一工作使得在微纳尺度下将化学能转变成马达运动的机械能成为了可能。也激起了科学家的广泛关注。在这之后，无论在马达性能、制备工艺还是实际应用都取得了长足的进步。另外，在金-铂双金属纳米线马达之后，利用外界刺激驱动的微纳马达也相继问世。例如以紫外光和红外光为能源的光驱动微纳马达、以超声波为能源的声驱动马达、以旋转磁场和摆动磁场为能源的磁驱动马达等。此外马达的形态也发生了巨大的变化，从最初的双金属纳米线，到如今的多金属纳米线、多层微米管、双面神（Janus）球以及螺旋线等各式各样的形态。微纳马达是21世纪纳米技术的尖端产物，其为解决微观复杂体系的问题提供了全新的思路。
光能转换成机械能在自然界是普遍存在的，但是人工的将光能转换成机械能并不是一件容易的事情，而光驱动纳米马达为这一课题提供了新思路和新方法。首先，对于光驱动纳米马达的研究基于表面等离激元光子学，所以目前大部分采用数值模拟和实验室制备研究相结合的方法。对于数值模拟已经发展出多重多级子（MMP）技术、离散偶极近似（DDA）以及时域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等方法。而光驱动马达从构成维度上可以分成分子马达和非分子马达。1980年，第一个基于偶氯苯分子的光驱动纳米机器被报道，在这之后不同类型光驱动分子马达不断被制备出来。而在近期关于微纳马达的研究中最火热的是非分子固态光驱动微纳马达，其种类繁多，形态上有不规则球形、Janus球形、管状以及齿轮状等。其本质是将光能转化成微纳马达的机械能，运动的前提是马达周围形成不对称的梯度场，梯度场趋向平衡态从而在马达周围形成微流驱动马达。梯度场的形成需要在马达周围发生不对称的光响应行为，而一个对称性极好的微米或纳米球形粒子，在均匀光照下整个球表面产生的光响应行为将被抵消。因此要在马达周围形成梯度场进而驱动马达，就要求体系满足非对称马达形态或者是处于非均匀非稳定光场条件下，这也是目前对于光驱动马达设计时的首要考虑方向。对于光驱动微纳马达在运动性能和功能应用上有着许多的研究和发展，目前对于这一领域的挑战集中在对于纳米马达的运动速度的提升以及光能量利用效率，以及纳米马达运动方向的控制问题，另外对于光驱动纳米马达的光源也是目前的研究范围。探索高效可控并且对于运行环境和光源依赖较小的微纳马达仍是亟待研究的方向。
对于光驱动纳米马达运动的研究，比较重要的是对于转动的研究。在光照下，形成围绕马达中心的同向循环梯度场，重复同向力矩推进马达旋转。从具体的固态微纳马达来看，这可以看成是光的力学效应。而对于光驱动微纳马达而言，其转动力矩是和入射光的角动量相关的。光具有能量和动量，携带角动量的光束与物体发生作用，就可能产生角动量的交换，这时物体就会收到一个力矩的作用，只要这个力矩大于物体受到的阻力矩就会使物体旋转。光的角动量包括轨道角动量和自旋角动量，前者和光场的空间分布有关，后者和光束的偏振状态有关。一般而言，光致旋转是微纳马达旋转的主要手段。当一束携带自旋角动量的光束与物体发生相互作用，光束的偏振状态发生变化，对应的角动量也会发生改变。根据角动量守恒定律，物体的角动量也将发生变化，这将导致一个力矩作用在物体上，使得物体旋转起来。这种基于自旋角动量的交换或者传递实现的光致旋转，既与入射光的偏振状态有关也与微粒的光学性质有关。值得注意的是，近些年的研究发现，对于一些微纳系统旋转的方向性似乎和入射偏振光的螺旋性是相关的。而这一发现表明，由于电磁场的作用导致了自旋轨道耦合（SOC），对这一方面的研究还有更多值得探索的地方。
参考文献
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