冷原子与量子物理
实验上，冷原子被用于研究玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），超流，量子磁性，多体系统，BCS机制，BCS-BEC连续过渡等，对理解量子相变有重要意义。冷原子也被用于研究人工合成规范场，使人们可以在实验室中模拟规范场，从而在凝聚态体系中辅助验证粒子物理的理论（而不需要巨大的加速器）。冷原子还可以用于研究量子信息学，量子计算等。
在光阱力的作用下，冷原子可以被稳定的操控，精确的操控，以单个原子云或者冷原子3D阵列的形式存在。而且多光阱高速光镊技术可以单独操控阵列中的一个或者多个原子，按照预设轨迹运动，从而为冷原子实验操作提供更高的灵活度。
捕获单个原子实现量子物质组装
诱导可调谐长程原子与光子的相互作用的能力提供了探索多体物理和量子光学的机会。 在这项研究中，我们在一个平面光子电路上实现了一个可配置的光镊阵列，证明了单个铯原子可以被光学镊子捕获，紧紧地聚焦在纳米结构的表面上。这些被捕获的原子可以利用电子倍增CCD摄像机上进行荧光成像。由声光偏转器（AOD）控制的光阱，形成一个非均匀晶格的微陷阱，可以定位多个冷原子。这样的镊子晶格可以转换成光学传送带，将捕获的原子输送到镊子焦点或从镊子焦点中输出，以便在平面介质附近垂直定位，用于原子-纳米光子学晶格组装。
对钟型光镊阵列的锶原子实现2000次重复成像
我们演示了单原子分辨成像，生存概率为0.99932（8)，保真度为0.9991(1），使我们能够在光镊中对单个原子进行数千次重复的高保真成像。 我们进一步观察到激光冷却超过7分钟的寿命，比以前的光镊研究时间长了一个数量级。 在813.4nm波长的光镊阵列中，用锶原子进行了实验，镊子阵列处于时钟跃迁的magic wavelength。 调谐到这个波长是通过在组合线关闭魔法西西弗斯冷却（off-magic Sisyphus cooling），这让我们可以几乎任意选择镊子波长。 我们发现，在径向方向上的单个非反射冷却光束足以减轻成像过程中的反冲加热。 此外，这种冷却技术的温度低于5μK，如释放和回收所测量的。最后，我们证明了时钟状态分辨检测的平均生存概率为0.996（1)，平均状态检测保真度为0.981(1）。 我们的工作为碱土原子的大型无缺陷阵列的原子组装铺平了道路，其中反复询问时钟跃迁是一种迫在眉睫的可能性。
圆形Rydberg原子的激光俘获
里德堡原子是量子模拟和计算的重要工具。 它们是一种强烈的实验活动的焦点，主要是基于低角矩Rydberg态。 不幸的是，原子运动和能级寿命将实验时间限制在100μs左右。 在这里，我们演示了二维激光捕获长寿命的圆形Rydberg态高达10ms。我们的方法是非常通用的，并为Rydberg原子的量子技术提供了许多机会。 在基于循环态的量子模拟器中，10ms的捕获时间对应于数千个相互作用周期。 该方法通过将原子场相互作用时间带入前所未有的状态，有望用于量子计量学和Rydberg原子的量子信息研究。
单个Rydberg原子在具备有质动力的瓶束状光阱中的三维俘获
通过光镊，可以实现全息瓶状光束光阱对单个Rydberg原子的三维俘获。这项研究将处于标准光镊捕获中的87rb原子，从冷基态激发到nS1/2、nP1/2或nD3/2 Rydberg态，并将它们转移到850nm的空心光学陷阱中。当主量子数60≤n≤90，测量的捕获时间与300k环境中的Rydberg态寿命一致。该研究通过执行单量子位微波Rabi翻转，以及通过测量两个被捕获分离40μm的Rydberg原子之间的相互作用诱导的相干自旋交换动力学，表明这些空心光学陷阱与量子信息和模拟任务兼容。这些结果将在高保真量子模拟和Rydberg原子量子逻辑运算的实现中得到应用。
激光强度波动对1064nm显微光镊俘获的单个铈原子俘获寿命的影响
由红光失谐1064nm激光的强聚焦单空间模式高斯光束组成的光学镊子可以在光强最强的点限制单个铈(Cs)原子。可用它来对单量子位和单光子源进行相干操纵。由于背景原子的冲击、光镊的参数加热和原子的残余热运动，光镊中原子的俘获寿命很短。此研究分析了背景压力、光镊陷阱频率和光镊激光强度波动对原子俘获寿命的影响：结合基于声光调制器(AOM)的外部反馈回路，将1064nm激光在时域中的强度波动从±3.360%抑制到±0.064%，频域抑制带宽达到约33k Hz，可将单个Cs原子在显微光镊中的捕获寿命从4.04s延长到6.34s。
胶体物理
双光阱光镊已被用来直接测量两个二氧化硅颗粒之间的相互作用力，以控制离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的浓度。通过在一个点光阱和一个线性光阱中捕获两个二氧化硅粒子，并控制线性陷阱使一个粒子接近另一个粒子，可以通过粒子间距离的变化，测量这两个粒子之间的相互作用力。结果表明，随着SDBS浓度的增加，两个二氧化硅颗粒之间的相互作用力出现在两个二氧化硅颗粒之间较近的表面距离上。只有低于SDBS临界胶束浓度(cmc)的二氧化硅颗粒之间存在排斥力，用经典的Derjaguin - Landau - Verwey - Overbeek (DLVO)理论可以很好地拟合。然而，在SDBS胶束产生的诱导下，耗尽引力出现在SDBS的cmc上方。通过现场测量两种硅颗粒在不同浓度SDBS存在下的相互作用力，可以定量计算出耗尽力。
气溶胶与大气物理
有机气溶胶可能在大气中以半固态、玻璃态和高粘滞状态形成，在低相对湿度(RH)条件下表现出非平衡动力学特征。使用光镊，结合高速摄影与真空傅里叶红外光谱仪来研究高有机/无机摩尔比液滴中的水迁移以及液滴组分的发光过程，是一种可靠快捷的解决方案。通过用液滴半径与相对湿度之间的特征时间比来描述依赖于相对湿度的水份在液滴内的传质差异。研究发现，对于OIR大于1:1的蔗糖/(NH4)2SO4液滴，在低RH (<30%)环境下的特征时间比值比高RH(>60%)环境下的比值大两个数量级。高速摄影与真空傅里叶红外光谱仪联用获得的结果表明在OIR高于1：1时，没有结晶过程发生；在OIR低于1：1时，则存在一定的规律性。
液晶与软物质物理
在液晶与软物质物理研究中，光镊技术是一种理想的非接触精准微观操控技术。它为软物质研究提供了以前所不能想象的各种可能性与便利。例如，用来研究分散在向列液晶中的，具有正常表面边界条件的，偶极和四级胶体颗粒的二元二维系统的定向自组装。使用激光镊，研究者组装了多种稳定的二维胶体晶体结构。在所有分析的结构中，那些颗粒它们的表面处理和小室条件是相同的，这使得研究者可以在大量粒子存在的情况下能够系统地跟踪胶体组装结构的演变。最终，提出了一种在液晶介质中分子自组装和胶体微球组织的相似性，延伸了在不同复杂性程度上设计胶体晶体结构的策略。
二维悬浮液的玻璃化转变
维数对平衡系统的热波动和临界动力学有很大的影响。这些影响持续存在于非晶体系中，使其经历非平衡玻璃化转变。利用光镊研究不同圆约束条件下球形和椭球形颗粒的准二维悬浮液的玻璃化转变是一个很好的方案。有研究者利用此技术证明了长波长涨落的强度随系统尺寸的增加呈对数增长，并显示了梅敏-瓦格纳涨落的特征。此外，利用约束作为工具，他们还测量了二维过冷液体的静态结构关联，并提取了一个不断增长的静态关联长度，探讨了梅敏-瓦格纳涨落对二维椭球体悬浮液平动和定向弛豫的影响，从而对各向异性粒子的两步玻璃化转变和定向玻璃相有了新的解释。这项研究揭示了二维过冷液体中长波长波动的重要性，并对量纲在玻璃化转变中的作用提供了新的见解。
微气泡
气体微泡具有浮力，且其折射率低于悬浮介质，因此，3D捕获微气泡面临更大的挑战。浮力会使微气泡上升，而光学梯度力则将他们从光阱中心弹开。目前在二维方向上捕获微气泡一般通过两种模式实现，一是中空的Laguerre-Gaussian (LG)光束，二是环绕气泡高速扫描的Gaussian聚焦光束。前者将气泡在二维尺度上局限在光斑中心的暗区，后前其实是对前者的模拟。然而这两种方式都不能实现真正的3D捕获。
3D捕获微气泡的解决方案是使用相对的两束Laguerre-Gaussian (LG)光束，或者相对的两束高速扫描Gaussian聚焦光束。对这种结构的光学力理论分析表明，在各个方向都有足够的光梯度力对气泡提供恢复力，因此它是一个真正的三维光阱。这样的系统可以用来表征单个微泡。光学捕获微泡的进一步应用包括对气泡周围气体的拉曼光谱分析，测量微泡壳厚度，并在超声处理之前将气泡定位在细胞附近。细胞随后可能被微泡的振荡和随后的崩溃所破坏。
驱动纳米器件
光镊因其非接触的优秀能力成为半固态微纳米器件的有力工具。而且，光镊能够应用和检测极小的力和力矩，从而具备驱动纳米机器的潜力。驱动纳米器件的方法有一种是模拟热机的工作原理。硅微腔内蒸汽泡的成核已被用于实现几个工作容积仅为0.6 mm3的微型热机。此外，一种微粒子被用作光镊的活塞，实现了一种由周期性产生的空化气泡提供动力的微型蒸汽机。斯特灵和卡诺循环的微观版本已经实现，光学捕获粒子被用来来研究它们的随机热力学性质。最近，有研究者还提出了一种由临界溶液的密度波动提供动力的微发动机，其中，当光被困在临界混合物中时，一个微米大小的粒子围绕光束旋转。该发动机的工作可根据光阱功率、环境温度和混合物的临界状态进行调节。。
光镊驱动微机器人操控丝状细胞
在纳米尺度，半导体，金属，和混合的胶体粒子可以被光镊捕获和操纵，这为纳米器件和生物分子的组装、表征和光学控制开辟了新的令人兴奋的可能性。解决纳米设备或微型发动机的动力操作和控制需求的一种方法是，利用携带轨道和自旋角动量的全息光镊或类似的技术产生的结构光束。特别是，通过将SAM和OAM转移到micropar，使微罗盘仪和微泵成为现实。光学细胞操作在基于细胞的检测中变得越来越有价值。有人研究使用由全息光镊自动驱动的多个协作微型机器人对丝状细胞的平移和旋转操作，可以有效地避免激光束直接照射对细胞的光损伤。这种方法将使生物医学应用更加富有成效，它们需要精确的细胞操作和较少的光损伤。
光学绑定
光学结合描述了由于多次光学散射而产生的光学场中大量胶体粒子的自发组织。最早由Burns等观察到，他们通过显示在横向方向上存在粒子分离的离散值，并在其中形成稳定的结合对，从而在线状焦点上的一对粒子之间建立了一种光学结合相互作用。在这项工作之后，科学家们观察了大量的粒子，这些粒子在许多激光束相交的横向平面上形成的干涉图样中“结晶”
光学结合现象并不局限于介电粒子，银和金的结合和金的结合被观察到，并通过等离子体增强了这种结合力。它也不局限于球形粒子:棒状粒子(碳纳米管束)的结合也被制成了。在这种情况下，与球形粒子类似，预计会出现多种结合结构。在这样的实验中，光学结合结构中粒子的布朗运动的视频跟踪为评估光学力、结构形式和动力学提供了一种强大的技术。
光力打印
光学结合现象并不局限于介电粒子，银和金的结合和金的结合被观察到，并通过等离子体增强了这种结合力。它也不局限于球形粒子，棒状粒子(碳纳米管束)的结合也被制成了。在这种情况下，与球形粒子类似，预计会出现多种结合结构。在这样的实验中，光学结合结构中粒子的布朗运动的视频跟踪为评估光学力、结构形式和动力学提供了一种强大的技术。
表面增强拉曼散射
研究已经证明通过在液体环境中金纳米棒(AuNRs)的光学操控，可以在玻璃衬底上生成表面增强拉曼散射（SERS）活性聚合体。事实上，由于它们非常大的消光截面，这些AuNRs不能被可见光捕获。然而，它们可以被推到样品室的玻璃内表面上，在那里它们会撞击门并形成热点，在这些热点上稀释的生物分子的拉曼光谱可以被强烈增强。该方法将光力打印的巨大优势与直接在液体环境中进行分子光谱检测的能力相结合，是生物灵感研究的理想条件。已经研究了许多生物分子。首次测量了牛血清白蛋白(BSA)分子，其在水中的拉曼检测限(LOD)已从10−3 M降至5×10−8 M。另一种蛋白质，血红蛋白的浓度低至1 pM，远低于约100 nM的SERS LOD。对苯丙氨酸等氨基酸、溶菌酶、过氧化氢酶等酶的研究结果也有报道。这种分子检测技术也可以通过使用捕获目标生物分子的适配体功能化aunr来实现蛋白质选择性检测。ochratoxin A是一种肾病型真菌毒素，它可能会对代表潜在公共卫生风险的食品和葡萄酒产生污染，其概念验证结果已经获得。通过这种方法,毒素已经检测到在液体环境中浓度低至1µm。
临界卡西米尔力
临界卡西米尔力可以在纳米科学和纳米技术中的应用中发挥重要作用，因为它们作为温度的函数，具有皮牛强度、纳米作用范围、精细的可调谐性等特点，以及对所涉及物体表面性质的精细依存关系。 这项工作中，我们通过脉冲式光镊，研究了临界Casimir力对分散在近临界二元液体溶剂中的一对胶体粒子的自由动力学的影响。特别重要的是，我们测量了两个胶体之间距离的时间演化，以确定它们的相对扩散和漂移速度。 此外，我们还展示了临界Casimir力如何通过研究所谓的首次通过时间（即粒子第一次达到某一分离所需的时间）的分布的温度依赖性来改变这种双胶体系统的动态特性。 这些数据与Monte Carlo模拟和Langevin动力学的理论结果吻合较好。
随机热力学
光镊可以作为一个非常强大的工具来揭示和表征微观和纳米系统的统计特性。 这个领域中布朗噪声和热波动通过引入随机性起着至关重要的作用。 特别是，光学捕获粒子的动力学是由确定性光学力场与布朗运动之间的相互作用引起的，这引入了一个定义良好的噪声背景。 因此，光学捕获粒子可以作为探针来研究统计物理现象，其动力学是由随机和确定性的力量驱动的。在过去的二十年里，光镊一直在纳米热动力学的发展中发挥巨大的作用，研究纳米系统的静态特性以预测纳米物体的性能和性能。 研究结果已经证明，热波动的存在允许在短时间尺度上违反小系统的热力学第二定律，尽管第二定律在普遍条件下仍然有效。
活性物质
近年来，光镊已被证明对活性物质体系的表征和光力与热泳动相互作用的研究具有重要意义。主动物质系统是由具有自推进能力的自然和人工物体构成的系统。由于它们将能量转化为推进力的能力，这些系统表现出群集行为以及由于远离平衡的相互作用而出现的其他集体特性。这种自我推进的行为是由于随机波动(负责布朗运动)和主动游动之间的相互作用，驱使它们进入一个远离平衡的状态。虽然自推进是微机械的一个众所周知的特征，为了寻找营养物质或为了逃离有毒的环境，仍有许多工作致力于实现人工自推进的纳米和微粒子。自推进粒子的两个典型例子是人造Janus粒子和生物细菌，如大肠杆菌，它们都可以用光镊很好地捕获。此外，还可以使用光镊来同步活动粒子的集体行为。特别是，该特性已被用于捕获活跃的布朗粒子来实现自组装流体泵。光镊也可以用来扰动活性物质的环境，改变它们的集体行为。
微流体力学研究
微腔是许多微流系统的中心特征，从血管生成过程中的毛细血管到各种微流控装置。最近，微腔中的流动和输运现象一直是许多研究的主题，但在低雷诺数下流动特性的物理图像，这是许多生物应用中的相关制度，还没有得到充分的揭示。因此，我们通过实验和建模，系统地研究了长微腔中的流动，发现流动特性取决于空腔的深度/宽度比。值得注意的是，如果该腔纵横比高于约0.51，则即使在雷诺数消失时，腔中也会出现逆流涡。第一涡从空腔入口的距离随着纵横比的增加而减小，这是一个逆幂律。在低于阈值宽比的无涡区，流速指数衰减远离空腔入口，衰减长度随空腔宽度而缩放，也取决于其截面的纵横比。我们的数值模拟结果得到了理论分析的支持，并与用光镊子进行光学测速获得的实验数据吻合得很好。
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