从物镜到芯片：超表面光镊如何“抓住”微粒

在上一篇《光镊的原理介绍》里，我们讲了一束光怎么靠梯度力把微粒“围”在势阱里，并在结尾留了个悬念：能不能把光镊从又大又贵的显微镜物镜上“搬”下来？答案是超表面。这篇我们就专门回答三个问题：超表面凭什么能替代物镜？它做的光镊到底多强？为什么 2024 年以来它突然成了量子计算圈的明星？

先复习：光镊为什么离不开高 NA 物镜

光镊的本质是制造一个足够陡的光强梯度。瑞利近似下，作用在微小介电粒子上的梯度力是

$$
\mathbf{F}_{\mathrm{grad}}=\frac{1}{2}\mathrm{Re}(\alpha)\nabla|\mathbf{E}|^2,
$$

其中 $\alpha$ 是粒子极化率，$\mathbf{E}$ 是光场。粒子被拉向光强最大处；要形成稳定陷阱，梯度力必须压过把粒子往前推的散射力，这要求光被极强地聚焦——焦点越小、光强梯度越陡，势阱越深（S1）。

经典做法是用高数值孔径（NA）显微镜物镜完成这个聚焦。NA 越高，衍射极限焦点越小，梯度越陡。但物镜的代价也写在明面上：体积大、成本高、工作距离短，想把光镊塞进芯片级设备或真空腔里几乎不可能。超表面要做的，就是把这台“又大又贵的聚焦器”压缩成一层几百纳米厚的平面结构。

超表面如何把“聚焦”写进像素

超表面由亚波长尺寸的结构单元（比如纳米柱）按周期排列而成，每个单元都能独立控制经过它的光的相位、振幅和偏振（S12）。这意味着我们可以把传统透镜用曲面和厚度实现的“光程差”，改写成一张逐点分布的相位图纸：

$$
\varphi(r)=-\frac{2\pi}{\lambda}\left(\sqrt{r^2+f^2}-f\right),
$$

其中 $r$ 是离中心的距离，$f$ 是焦距，$\lambda$ 是波长。每个位置上的纳米柱被设计成恰好提供这个相位，一束平面波穿过超表面后，就会像被透镜偏折一样汇聚到焦点。透镜的数值孔径由最外侧单元决定的会聚角给出：

$$
\mathrm{NA}=n\sin\theta_{\max},
$$

$n$ 是介质折射率。焦点光斑的衍射极限约为 $\lambda/(2\mathrm{NA})$——只要 NA 足够高，超表面就能做到和物镜一样小的焦点。特别地，在水中 $n\approx1.33$，NA 可以超过 1，这正是超表面光镊能做到“比空气里 1.0 更高”的原因（S2）。

从聚焦到光镊：超表面光镊有多强

把“能聚焦”变成“能捕获”，还需要一个精心设计的超表面。2023 年，Xiao 等人报道了反射式全息超表面光镊：数值孔径最高 1.2，陷阱刚度大于 400 pN/μm/W（文中峰值约 430），与同 NA 的显微镜物镜性能相当（S2）。

图 1：反射式超表面光镊的概念示意。来源：Xiao 等，ACS Photonics（CC BY 4.0）。

两个数字最能说明“芯片化”的意义。一是面积：这种超表面可以小到 0.001 mm²（最小演示面积）；一片 90×90 μm（约 0.008 mm²）的反射式全息超表面，就能在距表面约 21 μm 处形成单个稳定陷阱（S2）。把毫米到厘米尺度的显微镜物镜，压缩成不足一平方毫米的“物镜”，尺寸缩小了四五个数量级。二是刚度：陷阱刚度是光镊“抓得牢不牢”的核心指标，刚度越高，微粒被布朗运动抖动的幅度越小。用能量均分定理 $\kappa=k_BT/\langle x^2\rangle$ 可以从热抖动直接标定刚度（S1）——超表面光镊的刚度已经进入与物镜方案同一量级的区间（S2）。

更妙的是，超表面不只“会聚焦”，还能“会变魔术”。因为相位图纸可以任意设计，超表面本身就是一张全息图：把多个焦点、特殊光场直接编码进同一片结构。Xiao 等人就用 200×200 μm 的多焦点全息超表面生成了 4 个捕获点，抓住了扩展的物体——这是普通单焦点物镜做不到的（S2）。

为什么需要超表面：常规物镜的短板

既然传统物镜已经能把光镊做得很好，为什么还要超表面？一句话：物镜擅长“单个好陷阱”，不擅长“大量、集成、定制”。把两种方案放在一起看：

对比维度	常规显微镜物镜	超表面光镊
尺寸与重量	厘米级、体积大、成本高，需要支架与机械稳定	亚毫米平面结构，厚度约几百纳米
数值孔径	高，高倍物镜可超过 1（油浸更高）	最高 1.2（水中）
工作距离	高 NA 时通常很短	可达 3 mm，甚至 1.5 cm
多位点与任意阵列	需外加 SLM/AOD，位点规模通常难以超过约 1 万个	相位全息直接编码，已演示 78,400 位点
集成进真空腔/芯片	体积大，难以放入真空腔或片上系统	可直接做进真空腔或片上悬浮
热稳定性	常规玻璃材料温度变化时焦点明显漂移	金刚石超表面焦移可忽略；普通超表面仍需改进
制造与成本	精密磨抛，单件昂贵	半导体工艺可批量制造（CMOS 兼容），但量产尚在成熟中（作者判断）
成熟度	数十年成熟、通用	前沿研究阶段，效率与长期稳定性待验证（作者判断）

（表中数据来源：S1、S2、S4、S5、S7、S8、S9、S10、S11。）

这张表里，超表面真正“物镜做不到”的是三件事：

1. 规模：光镊阵列超过约一万个位点后，SLM/AOD 加物镜的方案开始吃力；超表面的相位像素可以无限扩展，单片就能生成 78,400 个位点（S4、S6）。
2. 集成：真空腔和芯片里放不下显微镜物镜；超表面可以直接做进真空腔（S11），也可以在通信波段片上悬浮微粒（S8）。
3. 工作距离与紧凑性：高 NA 物镜的工作距离短，而超表面可以做到 3 mm 甚至 1.5 cm，把“聚焦器”和样品隔开，也方便放进复杂装置（S1、S5、S9）。

需要说明：这张对比表不是“超表面全面胜出”——在通用性、衍射效率和工程成熟度上，传统物镜仍然领先；超表面更像为特定任务（大规模阵列、片上集成）定制的专用件。表中标注“作者判断”的行属于本文判断，其余均有来源支撑。

2024–2026 爆发：超表面光镊阵列与量子计算

如果超表面光镊只停留在“替代物镜”，它可能只是一件精致的工程作品。真正让它成为顶刊常客的，是中性原子量子计算：量子计算需要把成千上万个原子各自囚禁在光镊阵列里，而传统方案有两个瓶颈——声光偏转器和空间光调制器（SLM）生成的光镊阵列通常难以超过约一万个，并且这些主动器件仍需物镜把光聚焦成微米级光斑（S4）。超表面恰好同时拆掉这两个瓶颈：像素数可以无限扩展，而且聚焦功能直接写进结构里，不再需要物镜。

这条主线在 2024 年之后快速推进：

• 2024：Holman 等人用全息超表面光镊阵列捕获超过 1000 个锶原子，陷阱间距小至 1.5 μm，几何排布可以任意设计，均匀性媲美传统方案（S3）。
• 2025：Wang 等人用单个超表面直接产生 78,400 个光镊，把阵列规模提升了一个数量级（S4）。
• 2026：同一团队更进一步，用直径约 2 cm 的单个超表面（完全不需要物镜）稳定捕获 11,000 个原子，首次把原子阵列平台的量子比特资源推进到万级（S5）。

这里要澄清一个容易混淆的点：光镊数量和捕获原子数量不是一回事。光镊是“座位”（势阱），原子是“乘客”；原子装载是随机的，每个位点可能空着，也可能装进一个原子，所以实际捕获的原子数通常明显小于生成的光镊位点数。S4 的 78,400 是位点生成规模（280×280 个势阱，当时尚未进行大规模原子装载），S5 的 11,000 才是随机装载后稳定捕获的原子数（S4、S5）。

图 2：片上超表面光学悬浮：焦点阵列与悬浮微粒。来源：Sun 等，Nanophotonics（CC BY 4.0）。

这条路线还在继续加码：综述指出超表面的像素数远超 SLM，光镊阵列已经做到数十万位点，还能生成把原子囚禁在暗区的“瓶状束”等三维陷阱（S6）；晶体硅/蓝宝石超表面用 CMOS 兼容工艺就能量产（S10）；更早的 2021 年，NIST 团队已经用超表面透镜捕获单个原子并实现了 3 mm 的长工作距离（S9）；2024 年还有团队把 3×3 微陷阱阵列直接做进真空腔内，省掉腔外的大物镜和易漂移的主动光路（S11）。而在更贴近日常的“片上实验室”方向，单层超表面已经在 1550 nm 通信波段实现可调势阱与微粒悬浮（S8）。

工程挑战：从“能做”到“好用”

性能数字很漂亮，但超表面光镊要成为实验室标配，还有几道坎。

热稳定性是金属透镜的老问题——材料折射率随温度变化，焦点会漂移。2026 年的一项工作给出了一个漂亮的对策：用金刚石做超表面。金刚石折射率随温度变化极小，在剧烈温度变化下焦移可以忽略，而常规透镜焦点明显漂移；这个金刚石超表面已经实际搭建了光镊，稳定捕获并受控移动二氧化硅微球（S7）。

图 3：金刚石超表面光镊：装置示意与微球捕获演示。来源：Zhu 等，Advanced Science（CC BY 4.0）。

效率与损耗是另一道坎：超表面靠纳米结构局域光场，材料吸收和加工误差都会吃掉衍射效率；加工容差则决定能不能量产——这正是晶体硅/蓝宝石方案强调 CMOS 兼容工艺的原因（S10）。集成方向已经在推进：真空内直接生成陷阱阵列（S11）、通信波段片上悬浮（S8），但长期稳定性、量产成本，以及与物镜方案在真实实验中的系统性对比，仍缺少独立的第三方评测——这部分属于作者判断，不代表已验证事实。

小结与展望

回到开头的问题：超表面能不能替代物镜？答案是能，而且不止于替代。它能做到物镜做不到的事——把光镊阵列从一千个推到七万八千个，把原子量子计算机的可用比特推进到万级。它把“聚焦”这件光镊里最笨重的活，压缩成了一层纳米结构的相位图纸。光镊从物镜到芯片的故事，正好是纳米光子学与量子计算交汇的一个缩影：一边是越来越薄的“平面透镜”，一边是越来越大的原子阵列。下一步值得关注的是，当效率、热稳定性和量产工艺都追上之后，超表面光镊会不会把“芯片上的量子实验室”从演示变成日常工具。

参考资料

1. [S1] 时间帧《光镊的原理介绍》（原名《一束光真的能“夹住”微粒吗？光镊的梯度力、陷阱刚度与片上化》）：https://time-frame.cloud/2026/08/05/2026-08-05-optical-tweezers/
2. [S2] Xiao et al., On-Chip Optical Trapping with High NA Metasurfaces, ACS Photonics 2023（开放获取）：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10197168/
3. [S3] Holman et al., Trapping of Single Atoms in Metasurface Optical Tweezer Arrays, arXiv:2411.05321：https://arxiv.org/abs/2411.05321
4. [S4] Wang et al., Direct Generation of an Array with 78400 Optical Tweezers Using a Single Metasurface, arXiv:2512.08222：https://arxiv.org/abs/2512.08222
5. [S5] Wang et al., Trapping 11,000 Atoms in a Tweezer Array Generated by a Single Metasurface, arXiv:2606.02715：https://arxiv.org/abs/2606.02715
6. [S6] Fang et al., Metasurfaces for neutral-atom trapping（综述）, arXiv:2605.30498：https://arxiv.org/abs/2605.30498
7. [S7] Zhu et al., Diamond Metasurface-Based Optical Tweezers With Enhanced Robustness, Advanced Science 2026（开放获取）：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC13045361/
8. [S8] Sun et al., Tunable on-chip optical traps for levitating particles based on single-layer metasurface, Nanophotonics 2024（开放获取）：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11501761/
9. [S9] Hsu et al., Single atom trapping in a metasurface lens optical tweezer, arXiv:2110.11559：https://arxiv.org/abs/2110.11559
10. [S10] Fang et al., Silicon-on-sapphire metasurfaces generate arrays of dark and bright traps for neutral atoms, arXiv:2601.01038：https://arxiv.org/abs/2601.01038
11. [S11] Li et al., In vacuum metasurface for optical microtrap array, arXiv:2407.05918：https://arxiv.org/abs/2407.05918
12. [S12] 超表面（Wikipedia）：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E8%A1%A8%E9%9D%A2